(57)【要約】      （修正有）【課題】外来振動に対する周波数応答範囲を広げた振動補償型発振器を提供する。【解決手段】水晶振動子に搭載されたＸＹＺ軸方向の加速度センサによって、前記水晶振動子に対する外来振動に起因した加速度を検出し、前記加速度による周波数変動を補償した振動補償型の水晶発振器において、前記加速度センサはＭＥＭＳマイクロフォンからなり、前記加速度方向に板面が変位する平板状の可動電極１２ｂと、前記可動電極に板面が対向した多数の孔を有する固定電極１２ａと、前記可動電極と前記固定電極との間隙を一定に維持するスペーサ１２ｃとからなる構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶振動子に搭載された加速度センサによって、前記水晶振動子に対する外来振動に起因した加速度を検出し、前記加速度による周波数変動を補償した振動補償型の水晶発振器において、前記加速度センサはＭＥＭＳマイクロフォンからなり、前記加速度方向に板面が変位する平板状の可動電極と、前記可動電極に板面が対向した多数の孔を有する固定電極と、前記可動電極と前記固定電極との間隙を一定に維持するスペーサとからなる振動補償型の水晶発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は外来振動に起因した加速度による周波数変動を防止して位相雑音を低減した水晶発振器（以下、振動補償型発振器とする）を技術分野とし、特に外来振動の振動周波数に対する応答範囲を広くした振動補償型発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
（発明の背景）
水晶発振器は周波数安定度に優れることから、特に通信機器の周波数基準源として採用される。例えばミサイルを含む航空機器のレーダーに適用される水晶発振器では、飛行中での外来振動に起因した加速度に対する周波数変動を防止し、特に位相雑音を低減することが求められる。そして、これに対応する技術として、例えば加速度センサを用いた振動補償型発振器（特許文献１参照）がある。
【０００３】
（従来技術の一例）
第３図（ａｂ）は一従来例を説明する振動補償型発振器の概ねのブロック回路図である。
【０００４】
振動補償型発振器は水晶発振器１と振動補償機構２とからなる。水晶発振器１は例えば水晶振動子３をインダクタ成分としたコルピッツ型の発振回路４からなる。水晶振動子３は例えば結晶軸（ＸＹＺ）のＸ軸及びＺ軸を中心として２回回転ＹカットのうちのＳＣカットとした水晶片からなる。そして、図示しない水晶片を、外部端子を有する容器内に密閉封入する。
【０００５】
振動補償機構２は加速度センサ５（AX、ＡY、AZ）、感度係数回路６（CX、CY、CZ）、及び加算器７からなる。加速度センサ５はＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）加速度センサからなり、ＳＣカットとした水晶片の結晶軸（Ｘ′Ｙ″Ｚ′）の各軸方向となる例えば水晶振動子３の容器表面に設置される。そして、水晶振動子３に加えられる各軸方向の加速度を検出する。感度係数回路６は各座標軸方向の加速度に応答した係数を発生する。加算器７は各座標軸方向の係数を加算して振動補償電圧を発生する。
【０００６】
振動補償電圧は水晶振動子３（ＳＣカット）の両端子間に印加される。これにより、水晶振動子３は印加電圧（直流）に依存した周波数変化特性を有するので、印加電圧に応答して発振周波数が変化する。なお、印加電圧に対する周波数変化は微量であるが、ここではｐｐｂオーダーでの周波数変動が問題になるので、充分に対応できる。そして、印加電圧に対する周波数変化特性はＳＣカットが顕著になる。
【０００７】
なお、図中の符号８は高周波阻止用のインダクタであり、発振回路４による高周波（発振周波数）が振動補償機構に流入することを抑止する。また、符号Ｃは直流阻止用のコンデンサであり、振動補償電圧が発振回路内に流入することを抑止する。
【０００８】
あるいは、発振回路の閉ループ中に設けた直流阻止コンデンサＣの一方を電圧可変容量素子Ｃvとして振動補償電圧を印加する。これにより、電圧可変容量素子Ｃvの変化に基づき、水晶振動子３から見た直列等価容量（負荷容量）が変化するので、振動補償電圧に応答して発振周波数が変化する。したがって、飛行中における外来雑音に起因した加速度が水晶振動子３に加わっても、振動補償機構２は予め設定された振動補償電圧によって発振周波数を補償できる。
【０００９】
このようなものでは、外来振動による水晶振動子３に与えられる加速度αと周波数変動ΔＦ（Ｈz）は下式（１）で与えられ、周波数変動による位相雑音Ｌf（ｄＢｃ／Ｈz）は
下式（２）で与えられるこが知られている。但し、Ｓは加速度感度係数（sec２／ｍ）、Ｆv外来振動の振動周波数、Ｆoは水晶発振器１の発振周波数である。
ΔＦ＝α・Ｆo・Ｓ                     ・・・・（１）
Ｌｆ＝２０Ｌｏｇ｛ΔＦ／（２・Ｆv）｝  ・・・・（２）
【００１０】
これらの式から明らかなように、周波数変動ΔＦは加速度α及び発振周波数Ｆoに比例する。なお、加速度感度係数Ｓは、加速度α及び発振周波数Ｆoと周波数変動ΔＦとの関係（実験結果）から求められる。そして、位相雑音Lfは周波数変動ΔFと外来振動周波数Fvの関数で表される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第７１０６１４３号明細書
【特許文献２】Matsushita Technical Journal Vol.52 No1Feb.2006               ＭＥＭＳマイクロホン
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
（従来技術の問題点）
しかしながら、上記構成の振動補償型発振器では、ＭＥＭＳ加速度センサ５に起因して外来振動の振動周波数に対する応答範囲が０〜１７０Ｈzと狭く、実際に必要とされる振動試験条件、振動範囲１０〜２００Ｈzを満たすことができない問題があった。その結果、外来振動の振動範囲である高域側は殆ど無補償の状態で、周波数変動ΔＦ及び位相雑音Ｌfの劣化は避けられなかった。
【００１３】
なお、ＭＥＭＳ加速度センサ５では、第４図に示したように、基本的に、固定電極９ａに可動電極９ｂを対向させてシリコン基板１０内に配置する。そして、可動電極９ｂに対して垂直方向からの加速度Ｐによって、固定電極９ａに対する可動電極９ｂの間隔ｄが変化する。これにより、両者間の容量が変化することを利用して加速度を検出する。しかし、この場合の可動電極９ｂは慣性力が大きく、外来振動の高い周波数に対しては応答性が悪いことから周波数応答範囲が０〜１７０Ｈz程度に狭くなる。
【００１４】
（発明の目的）
本発明は外来振動に対する周波数応答範囲を広げた振動補償型発振器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
（着目及び適用）
本発明は、前述した振動試験条件の振動範囲１０〜２００Ｈzを充分にクリアーし、携帯電話等で適用されて音声信号に対応する例えば特許文献２で示されるＭＥＭＳマイクロフォンに着目し、これを加速度センサに適用した。
【００１６】
本発明は、特許請求の範囲（請求項１）に示したように、水晶振動子に搭載された加速度センサによって、前記水晶振動子に対する外来振動に起因した加速度を検出し、前記加速度による周波数変動を補償した振動補償型の水晶発振器において、前記加速度センサはＭＥＭＳマイクロフォンからなり、前記加速度方向に板面が変位する平板状の可動電極と、前記可動電極に板面が対向した多数の孔を有する固定電極と、前記可動電極と前記固定電極との間隙を一定に維持するスペーサとからなる構成とする。
【発明の効果】
【００１７】
このような構成であれば、ＭＥＭＳマイクロフォンのダイアフラム（可動電極板）は厚みも小さくて基本的に音声周波数に応答するので、外来振動に対する応答範囲を充分に広げることができる。例えば飛行中における衝撃に対する強度を考慮しても、振動試験条件である振動範囲１０〜２００Ｈzは勿論として、例えば１０〜１ＫＨzを難なくクリアーできる。これにより、高い周波数成分を含む外来振動下においても、高安定な発振周波数として低位相雑音の水晶発振器が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態を説明する振動補償型発振器の特に加速度センサの図で、同図（ａ）は概ねの裁断図、同図（ｂ）は平面図である。
【図２】本発明の一実施形態を説明する振動補償型発振器の特に振動補償機構の他例を示すブロック図である。
【図３】一従来例を説明する振動補償型発振器の図で、同図（ａｂ）ともに振動補償型発振器の概ねのブロック回路図である。
【図４】一従来例を説明する振動補償型発振器の加速度センサの模式的な一部図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、第１図（加速度センサの裁断図及び平面図）によって、本発明に係る振動補償型発振器の一実施形態を説明する。なお、前従来例と同一部分には同番号を付与してその説明は簡略又は省略する。
【００２０】
振動補償型発振器は、前述したようにＳＣカットとした水晶振動子を有する水晶発振器に振動補償機構を付加してなる（前第３図参照）。そして、ここでの振動補償機構の結晶軸（Ｘ′Ｙ″Ｚ′）の各軸方向に設けられる加速度センサ５（AX、AY、AZ）には、例えば特許文献２で示されるマイクロマシニング技術を用いたＭＥＭＳマイクロフォンを適用する。
【００２１】
すなわち、加速度センサ５はＭＥＭＳ母材としてのシリコン基板１１に形成された、固定電極１２ａ、可動電極１２ｂ及びスペーサ１２ｃからなる。シリコン基板１１は上端側を小孔として下端側を大孔としたハ字状の貫通孔１３を有する。可動電極１２ｂ及びスペーサ１２ｃ等を形成した後、貫通孔１３等が下端側からのエッチングによって形成される。
【００２２】
このようなものでは、加速度センサ５の板面に対して、外来振動に起因した垂直方向からの加速度Ｐが加わると、可動電極１２ｂが変位して固定電極１２ａとの間の容量が変化する。したがって、この容量変化と発振周波数の変化を予め把握しておくことによって、前述同様に加速度Ｐによる周波数変化を抑止できる。
【００２３】
この場合、加速度センサ５は音声信号に対応したＭＥＭＳマイクロフォンからなる。すなわち、平板に多数の孔１４を有する可動電極１２ｂは、厚みが充分小さく慣性力も小さいので、外来振動の振動周波数に広範囲に応答する。したがって、従来例では困難であった、振動試験条件の振動範囲１０〜２００Ｈzは勿論として、例えば１０〜１ＫＨzを難なくクリアーできる。これにより、高い周波数成分を含む外来振動下においても、高安定な発振周波数として低位相雑音の水晶発振器が得られる。
【００２４】
（他の事項）
上記実施形態では、水晶振動子（水晶片）はＳＣカットとしたが、これに限らずＡＴカットを含めた他のカットでも適用できる。また、角速度センサ５は結晶軸の各軸方向としたが、これに限らず、基本的には幾何学的な座標軸（ｘｙｚ）の各軸方向としても適用できる。
【００２５】
また、振動補償機構２は、各加速度センサ５（AX、AY、AZ）のそれぞれに感度係数回路６（CX、CY、CZ）を設けて加算したが、例えば第２図に示したようにしてもよい。すなわち、各加速度センサ５（AX、AY、AZ）の出力に基づいて、関数発生回路１５から振動補償電圧を発生するようにしてもよい。この場合、各加速度センサ５（AX、AY、AZ）の出力と発振周波数の変化とを予め把握した補償データａ1〜ａnを不揮発性メモリ１６に読み込む。そして、各加速度センサ５（AX、AY、AZ）の出力に対する振動補償電圧の関数が決定される。
【符号の説明】
【００２６】
１  水晶発振器、２  振動補償機構、３  水晶振動子、４  発振回路、５  加速度センサ、６  感度係数回路、７  加算器、８  インダクタ、９ａ，１２ａ  固定電極、９ｂ、１２ｂ  可動電極、１０、１１  シリコン基板、１２ｃ  スペーサ、１３  貫通孔、１４  孔、１５  関数発生回路、１６  不揮発性メモリ。
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図１】
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