(57)【要約】【課題】周囲温度の変化による発振周波数の変動を抑え、高い発振精度を有する温度補償水晶発振器を提供すること。【解決手段】容器内に設けられた水晶振動子に制御電圧を印加する電圧制御部を備えた温度補償水晶発振器において、前記電圧制御部は、温度検出器にて検出された温度をＴ、基準温度をＴ0、基準温度Ｔ0において水晶振動子の設定周波数が得られる電圧をＶ0、前記温度検出器により検出された温度と水晶振動子の温度との温度差に相当する設定温度差をΔＴ、Ｋｊを予め設定した定数とすると、次式で表され、2010171968.tif 000006Ｋ２＝０である補償電圧ＶＣをＶ0に加算した制御電圧を水晶振動子に印加するようにする。【選択図】図１
2010171968.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内に設けられた水晶振動子と、
前記容器内に設けられた、水晶振動子を発振させるための発振回路と、
前記容器内に設けられた温度検出器と、
前記水晶振動子に制御電圧を印加する電圧制御部と、
を備え、
前記電圧制御部は、前記温度検出器にて検出された温度をＴ、基準温度をＴ0、基準温度Ｔ0において水晶振動子の設定周波数が得られる電圧をＶ0、前記温度検出器により検出された温度と水晶振動子の温度との温度差に相当する設定温度差をΔＴ、
Ｋｊを予め設定した定数とすると、次式
2010171968.tif 000005
の関係で表され、
Ｋ２＝０で表される補償電圧ＶＣをＶ0に加算した制御電圧を出力するように構成されていることを特徴とする温度補償水晶発振器。
【請求項２】
温度検出器、発振回路及び電圧制御部は集積回路チップに設けられていることを特徴とする請求項１記載の温度補償水晶発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度検出器の検出値に基づいて温度補償がされた水晶発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
水晶発振回路は、その発振精度が比較的高いことから携帯電話などの多くの電子機器に搭載されている。しかし、水晶振動子はその周囲の温度が変化すると、その温度変化に応じてその発振周波数が変動してしまう、いわゆる周波数温度特性を有している。この周波数温度特性は、水晶振動子を構成する水晶片の切断角度や厚さなどのばらつきにより水晶振動子ごとに異なっている。図４の実線のグラフは温度補償されていないＡＴカットされた水晶片からなる水晶振動子の周波数温度特性の一例を示したものである。目標とする発振周波数をｆ、ある温度における周波数（ｆ’）とｆとの偏差分をΔｆとすると、グラフの縦軸はΔｆ／ｆであり、横軸はその水晶振動子の周囲温度Ｔを夫々示している。この周波数偏差Δｆ／ｆは、下記の周囲温度Ｔの３次関数である（１）式として近似されることが知られている。
Δｆ／ｆ＝α(Ｔ−Ｔ0)3＋β(Ｔ−Ｔ0)＋γ・・・（１）
Ｔ0は水晶発振器を設計するときの基準温度であり、例えば２９℃とされる。この基準温度は２９℃に限られるものではない。従ってＴ0におけるΔｆ／ｆは０であるから、Ｔ0は（１）式で表される３次関数の変曲点となる。α、β、γは水晶片固有の定数である。
【０００３】
周波数温度特性の影響を補償する機能を備えた温度補償水晶発振器（以下、ＴＣＸＯと記載する）は、水晶振動子が図４中実線で示される周波数温度特性を有する場合に、当該周波数温度特性とは逆の点線で示す周波数温度特性を制御電圧側で持たせるように構成したものである。即ち水晶振動子に印加される制御電圧と水晶振動子の発振周波数とは図５に示すように比例関係にあるので、図６に示すように温度がＴ0からずれたＴ1であることにより周波数がΔｆだけずれる。そこで温度がＴ0から例えば高くなるとすると、温度Ｔ0のときに水晶振動子が設定周波数となる制御電圧Ｖ0をΔｆに相当するΔＶだけ大きくするように温度補償を行う。具体的には基準温度Ｔ0において目標とする発振周波数が得られる制御電圧をＶ0、ＶＣを補償電圧とするとΔｆ／ｆ＝ＶＣ／Ｖ0であるから、ＶＣ／Ｖ0は（１）式の右辺となり、従ってＶＣは（２）式で表される。
ＶＣ＝Ｖ0{α(Ｔ−Ｔ0)3＋β(Ｔ−Ｔ0)＋γ}
＝α'(Ｔ−Ｔ0)3＋β'(Ｔ−Ｔ0)＋γ'・・・（２）
α’＝Ｖ0・α、  β’＝Ｖ0・β、  γ’＝Ｖ0・γである。α、β、γは恒温槽内にＴＣＸＯを設置し、恒温槽内の温度を種々変えて周波数を計測することによって求められる。
【０００４】
また、温度Ｔについては、例えば温度検出器の出力電圧と温度との関係を制御部のメモリ内に記憶させておき、出力電圧に基づいて温度を読み出すことにより求められる。そして温度検出器２８として温度と出力電圧とが比例関係にある場合には、温度Ｔ及びＴ0における温度検出器の出力電圧を夫々ＶＴ及びＶＴ0とし、（１）式に対応する（３）式の演算を行って補償電圧ＶＣ（上記のΔＶに相当する）を求める。
ＶＣ(ΔＶ)＝α１(ＶＴ−ＶＴ0)3＋β１(ＶＴ−ＶＴ0)＋γ１・・・（３）
なお、α１、β１、γ１は恒温槽内にＴＣＸＯを設置し、恒温槽内の温度を種々変えて周波数を計測することによって求められる。
【０００５】
一方、ＴＣＸＯ１は図７（ａ）、（ｂ）に示すように基板１１と、その基板１１上に設けられた例えばＡＴカットの水晶片を備えた水晶振動子２１及びＩＣチップである発振制御部２２と、基板１１上でこれら水晶振動子２１及び発振制御部２２を覆うカバー１２と、を備えている。図７（ｂ）は基板１１からカバー１２を外した状態を示している。
【０００６】
ここで、同じカバー１２及び基板１１に囲まれる空間に発振制御部２２及び水晶振動子２１が設けられていることから、発振制御部２２に含まれる温度検出器の検出温度は水晶振動子２１の周囲温度に等しいものと考えられてきた。しかしながら実際にはＩＣである発振制御部２２は供給される電力により発熱しており、その発熱により温度検出器により検出される温度は、水晶振動子の周囲温度よりも若干高くなっている。上記のように各定数の決定後、ＴＣＸＯ１が使用される際には、この水晶振動子２１の周囲温度からその発熱によりずれた温度に対応した電圧が３次関数発生器に印加されてしまい、周波数変化を抑えるために必要な補償電圧ＶＣと、実際に印加される補償電圧ＶＣとに誤差が生じる。この誤差がＴＣＸＯ１で周囲温度の変化において微小な周波数変動を生じる原因になっている。
【０００７】
近年では、前記携帯電話などの携帯端末がＧＰＳ（Global Positioning System）機能を搭載したＧＰＳ受信機として構成されることがある。このＧＰＳはＧＰＳ衛生から送信された信号と、前記ＧＰＳ受信機に搭載された発振器から出力される信号とに基づいてその携帯端末の現在位置を検出するシステムであり、この発振器としてＴＣＸＯを用いることが検討されている。そして、このＧＰＳにおいて、携帯端末の位置を精度高く検出するためにはＴＣＸＯに特に高い発振精度が要求されるので上記のＩＣの発熱による周波数変動を抑えることが求められている。
【０００８】
特許文献１及び特許文献２にはＴＣＸＯの構成について記載されているが、上記の問題については記載されておらず、その問題を解決できるものではない。
【特許文献１】特開平６−３２６５１６号公報
【特許文献２】特開２００４−１７２８３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、その課題は周囲温度の変化による発振周波数の変動を抑え、高い発振精度を有する温度補償水晶発振器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の温度補償水晶発振器は、
容器内に設けられた水晶振動子と、
前記容器内に設けられた、水晶振動子を発振させるための発振回路と、
前記容器内に設けられた温度検出器と、
前記水晶振動子に制御電圧を印加する電圧制御部と、
を備え、
前記電圧制御部は、前記温度検出器にて検出された温度をＴ、基準温度をＴ0、基準温度Ｔ0において水晶振動子の設定周波数が得られる電圧をＶ0、前記温度検出器により検出された温度と水晶振動子の温度との温度差に相当する設定温度差をΔＴ、
Ｋｊを予め設定した定数とすると、次式の関係で表され、
2010171968.tif 000003
Ｋ２＝０で表される電圧ＶＣをＶ0に加算した制御電圧を出力するように構成されていることを特徴とする。前記温度検出器、発振回路及び電圧制御部は例えば集積回路チップに設けられている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、温度検出器で検出した温度と、予め設定された、温度検出器により検出された温度と前記水晶振動子との温度差と、に基づいて演算された制御電圧が水晶振動子に印加されて、その発振が制御される。従って前記温度差の影響が抑えられるので、精度高く水晶振動子の発振を制御でき、発振周波数の変動を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は本発明の実施の形態に係るＴＣＸＯ２の回路構成図である。２２は水晶振動子２１の発振を制御する発振制御部であり、例えばＩＣチップにより構成されている。２３は直流電圧（ＶＣＣ）の供給端子、２４は発振出力の出力端子である。発振制御部２２は背景技術の項目で述べたように基準温度Ｔ０において目的とする周波数ｆが得られる制御電圧Ｖ０に、温度ＴとＴ０との差分に応じた周波数変化分Δｆをキャンセルするための補償電圧ＶＣを加算するように構成されている。発振制御部２２は、水晶振動子２１と共に水晶発振回路２０を構成する発振回路２５、可変容量ダイオード２６、電圧制御部を構成する３次関数発生器２７、温度検出器２８及びメモリ２９を含んでいる。
【００１３】
図１に示すＴＣＸＯ２と従来のＴＣＸＯ１との差異点として、発振制御部２２の３次関数発生器２７は（４）式で表される演算を行い、その演算結果である補償電圧ＶＣと、基準温度Ｔ0において水晶振動子が設定周波数となる制御電圧Ｖ0との加算値を水晶振動子２１と発振回路２５とによる構成される水晶発振回路２０に印加するように設定されている。
ＶＣ＝α'(Ｔ−Ｔ0−ΔＴ)3＋β'(Ｔ−Ｔ0−ΔＴ)＋γ’・・・（４）
この（４）式においてＴは温度検出器２８により検出される水晶振動子の周囲温度であり、この温度Ｔには背景技術の欄で説明したように実際の水晶振動子の周囲温度に発振制御部２２の発熱による温度上昇分が含まれている。Ｔ0は（１）式、（２）式のＴ0と同様に水晶振動子の周波数温度特性における変曲点の温度となる基準温度であり、例えば２９℃とされる。このＴ0及びα’、β’、γ’は測定より求められる定数である。このα’、β’、γ’は背景技術の欄にて記載した（２）式のα’、β’、γ’とは必ずしも同じ値ではないが、便宜上同一符号を用いることとする。
【００１４】
ここで、温度検出器２８の出力電圧と温度との対応関係例えばテーブルやアルゴリズムをメモリ２９に予め記憶させておき、出力電圧とメモリ２９内の前記対応関係とに基づいて温度Ｔが求められる。従ってこの温度Ｔを用いて３次関数発生器２７にて３次関数を発生させ、これによりＶＣが求まる。ところで温度検出器２８の出力電圧が温度と比例関係にある場合には、上記のように温度と出力電圧との対応関係をメモリ２９内に記憶しなくとも、出力電圧を用いてＶＣを求めることができる。図１ではこのような場合を表しており、温度検出器２８の出力電圧が３次関数発生器２７の入力信号となるので、３次関数発生器２７で求められる補償電圧ＶＣは、次の（５）式で表される。
ＶＣ＝α１(ＶＴ−ＶＴ0−ＶΔＴ)3＋β１(ＶＴ−ＶＴ0−ＶΔＴ)＋γ１・・・（５）
ＶＴは温度Ｔにおける温度検出器２８の出力電圧、ＶＴ0は基準温度Ｔ0における温度検出器２８の出力電圧である。また、ＶΔＴは水晶振動子２１と発振制御部２２との温度差ΔＴに対応する温度検出器２８の出力電圧変動分である。これらα１、β１、γ１、ＶＴ0及びＶΔＴはメモリ２９に記憶されている。こうして演算された補償電圧ＶＣを、基準温度Ｔ0において設定周波数ｆを得るための前記制御電圧Ｖ0に加算して、水晶振動子２１の制御電圧Ｖ１を得るが、この例では３次関数発生器２７内にて（５）式の演算と、補償電圧ＶＣとＶ０との演算が行われて水晶振動子２１に出力するようになっている。
【００１５】
（５）式の定数を決定する手順について説明する。先ず、ＴＣＸＯ２を組み立て後、恒温槽に搬入する。そして、例えばこの恒温槽への搬入時に予めメモリ２９に任意にα１〜γ１、ＶＴ0及びＶΔＴの各値を入力しておく。この恒温槽はその内部の温度を自在に変更でき、前記温度を均一に維持することができる。恒温槽内に搬入されたＴＣＸＯ２の温度検出器２８は、例えば恒温槽の外部に設けられた表示画面に接続され、その表示画面にその温度検出値が表示される。また、ＴＣＸＯ２は周波数測定器に接続され、その測定結果が前記表示画面に表示される。
【００１６】
続いて、恒温槽内の温度が任意の温度に設定され、槽内がその温度になりその温度が安定した後、例えばＴＣＸＯ２に電源を投入し、水晶発振回路２０が発振する。ＴＣＸＯ２への電源投入後、発振制御部２２に流れる電流により発振制御部２２が発熱し、その温度が次第に上昇する。作業者は温度検出器２８により測定される温度を例えば所定の時間が経過するごとに記録する。恒温槽内の温度と発振制御部２２の温度とが次第に平衡し、発振制御部２２の温度上昇が収まり、温度検出器２８により検出される温度が一定になる。作業者はその検出温度が一定になったことを確認し、その一定になった温度から前記恒温槽内の温度を差し引き、その差し引いた温度値を温度差ΔＴとして決定する。このＴＣＸＯ２では例えば、その温度差ΔＴは０．８℃である。
【００１７】
この温度差ΔＴを決定する工程においては、温度検出器２８により検出される温度が一定になるまで測定を続けなくてもよく、例えばＴＣＸＯ２に電源投入後に所定の間隔で数回温度を測定したらその測定結果から、その温度検出器２８により検出される温度上昇が停止して一定になるときの温度を予測し、その予測値から恒温槽内の温度を差し引いて、ΔＴを決定してもよい。
【００１８】
温度差ΔＴの決定後、作業者は例えばα１、β１、γ１、Ｔ0を変更して周波数測定器により測定された水晶発振器２０の発振周波数と、その設定された恒温槽の温度とをこれら周波数測定器及び恒温槽に接続されたコンピュータに記憶させる。
【００１９】
続いて、作業者は恒温槽内の温度を変更し、槽内の温度が安定したら、そのときの水晶発振器２０のα１、β１、γ１、Ｔ0を変更して得られた発振周波数及び恒温槽内の温度を同様にコンピュータに記憶させる。このような恒温槽の温度変更と、変更後の恒温槽の温度及び発振周波数のコンピュータへの記憶とを所定の回数繰り返し行う。各温度における水晶振動子２１の発振周波数を設定周波数まで変化させるために必要な補償電圧ＶＣは、図５から分かっているので、各温度毎に先の（５）式を立てることにより、α１、β１、γ１を未知数とする連立方程式が得られる。このため各温度で周波数変化が最小となるα１、β１、γ１、Ｔ0が求まる。なお、水晶振動子２１は製造工程上どうしてもわずかな周波数のばらつきが生じることから、例えばγ１はゼロには設定されず、水晶振動子２１間の周波数のばらつきを考慮してある値に設定されるが、ゼロとしてもよい。
【００２０】
ここで上記の（５）式と従来の（２）式とについて考察する。従来は、温度補償電圧ＶＣを（２）式のように決めた根拠は、周波数の温度特性を表す（１）式においてＴを温度検出器で検出する温度として取り扱っていることによる。これに対して上述の実施の形態ではＴを温度検出器の温度検出値とした場合、Δｆ／ｆは次の（６）式で表されるものとして取り扱っている。
Δｆ／ｆ＝α(Ｔ−Ｔ0−ΔＴ)3＋β(Ｔ−Ｔ0−ΔＴ)＋γ・・・（６）
【００２１】
ところで従来の（１）式からこの（６）式を差し引くと、（Ｔ−Ｔ0）についての３次の影響が小さいので、近似式として下記の（７）式で表される（Ｔ−Ｔ0）についての２次関数が得られる。
（Δｆ／ｆ）≒Ａ(Ｔ−Ｔ0)２＋Ｂ(Ｔ−Ｔ0)＋Ｃ・・・（７）
Ａ、Ｂ、Ｃはα、β、γ及びΔＴによって決定される定数である。  
図２、図３はΔＴが例えば０．８℃のときの（１）式の３次関数、（７）式の２次関数の例を夫々示したものである。つまり、この例では縦軸のスケールの度合いが大きく違うので図２と図３とに別々に温度特性を示しているが、従来では図２に示す３次関数の特性分だけ補償していて、図３に示す２次関数の特性分が補償されていないことを意味している。その理由は繰り返し述べたように温度検出器２８の温度と水晶振動子２１の温度とが異なるからである。
【００２２】
そこで、温度補償電圧ＶＣを（５）式に基づいて設定すれば、２次関数の特性分も補償されることになる。即ち、図２と図３とを合わせた温度特性をキャンセルするように、ＴＣＸＯ２の補償電圧ＶＣは設定されている。
【００２３】
このＴＣＸＯ２によれば、温度検出器２８で検出した周囲温度Ｔと、予め設定された温度検出器２８により検出された温度と前記水晶発振器との温度差である温度差ΔＴと、に基づいて、３次関数発生器２７が発振回路２５に印加する補償電圧ＶＣを決定して、その補償電圧ＶＣに応じた制御電圧Ｖ１が水晶発振回路２０に印加されている。従って、周囲温度Ｔが変化したときにおける前記温度差ΔＴによる、周波数変動を抑えるために必要な補償電圧ＶＣと実際に水晶発振回路２０に印加される補償電圧ＶＣとのずれが抑えられる。その結果として、前記周波数変動を抑えることができ、精度高く水晶振動子を発振させることができる。
【００２４】
ところで、補償電圧ＶＣが（Ｔ−Ｔ0−ΔＴ）についての３次関数である例について説明してきたが、ＶＣはこのような３次関数に限られず、４次関数や５次関数などの３次以上の高次関数として設定されていてもよい。このＶＣは、次の式（８）で表すことができる。
2010171968.tif 000004
この式（８）でＫｊは予め設定した定数であるが、ただしＫ２＝０である。つまり、既述の例では（８）式においてｎ＝３である場合について説明しており、上記の（４）式と対応させると、Ｋ３＝α’、Ｋ１＝β’、Ｋ０＝γ’である。そして、（８）式においてｎは４以上の整数として設定されてもよく、例えばｎ＝４である場合、ｎ＝５である場合にはＶＣは夫々下記の（９）式、（１０）式で表すことができる。
ＶＣ＝Ｋ4(Ｔ−Ｔ0−ΔＴ)4＋Ｋ3(Ｔ−Ｔ0−ΔＴ)3＋Ｋ1(Ｔ−Ｔ0−ΔＴ)＋Ｋ0 
・・・（９）
ＶＣ＝Ｋ5(Ｔ−Ｔ0−ΔＴ)5＋Ｋ4(Ｔ−Ｔ0−ΔＴ)4＋Ｋ3(Ｔ−Ｔ0−ΔＴ)3 
＋Ｋ1(Ｔ−Ｔ0−ΔＴ)＋Ｋ0 
・・・（１０）
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態に係るＴＣＸＯの回路構成図である。
【図２】前記ＴＣＸＯに設けられた水晶振動子の温度特性の３次関数分を示したグラフ図である。
【図３】前記水晶振動子の温度特性の２次関数分を示したグラフ図である。
【図４】水晶振動子の３次関数分の温度特性と、それを補償する補償電圧の変化とを示したグラフ図である。
【図５】発振回路に印加される制御電圧と発振周波数との関係を示したグラフ図である。
【図６】周囲温度と周波数偏差との関係を示したグラフ図である。
【図７】ＴＣＸＯの外観斜視図である。
【符号の説明】
【００２６】
１１      基板
１２      カバー
２０      水晶発振回路
２１      水晶振動子
２２      発振制御部
２５      発振回路
２７      ３次関数発生器
２８      温度検出器
２９      メモリ
１，２    ＴＣＸＯ（温度補償水晶発振器）
【図１】
2010171968.tif 000007
【図２】
2010171968.tif 000008
【図３】
2010171968.tif 000009
【図４】
2010171968.tif 000010
【図５】
2010171968.tif 000011
【図６】
2010171968.tif 000012
【図７】
2010171968.tif 000013