(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電片に夫々第１の振動領域及び第２の振動領域を形成するための第１の電極対及び第２の電極対を設けてなる圧電振動子と、
前記第１の電極対に接続された第１の発振回路と、
前記第２の電極対に接続された第２の発振回路と、
前記第２の発振回路を一の状態と他の状態との間で切り替えるための状態変更部と、
前記第２の発振回路と前記圧電振動子との接続点と、接地との間に設けられ、第１の発振回路から第２の発振回路を見た負荷容量を調整するための調整用容量とスイッチ部との直列回路と、を備え、
前記スイッチ部は、前記第２の発振回路が一の状態に設定されているときの前記負荷容量と、前記第２の発振回路が他の状態に設定されているときの前記負荷容量と、を揃えるために、オン状態とオフ状態との一方が選択されることを特徴とする発振装置。
【請求項２】
前記第２の発振回路における一の状態は、当該第２の発振回路をオーバートーンで発振させている状態であり、第２の発振回路における他の状態は、当該第２の発振回路を基本波で発振させている状態であることを特徴とする請求項１記載の発振装置。
【請求項３】
第２の発振回路から出力されるオーバートーンは、第１の発振回路の出力周波数の温度補償を行うために使用され、
第２の発振回路から出力される基本波は、第１の発振回路の出力周波数の経時変化に対する補償を行うために使用されることを特徴とする請求項２記載の発振装置
【請求項４】
前記第２の発振回路における一の状態は、当該第２の発振回路を発振させている状態であり、第２の発振回路における他の状態は、当該第２の発振回路を停止させている状態であることを特徴とする請求項１記載の発振装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動子を用いた発振装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水晶振動子の構造として、共通の水晶片に２対の電極を設けて２つの振動領域を構成する、いわゆるツイン振動子が知られている。ツイン振動子においては、一方の振動領域を形成する電極対と他方の振動領域を形成する電極対とは夫々別個の発振回路に接続され、例えば一方の発振回路の出力を発振装置の出力信号として用い、他方の発振回路の出力を温度補償用の信号として用いている。ツイン振動子の利点は、出力信号と温度補償用の信号とが共通の水晶片から取り出されるため、温度補償精度が高いということが挙げられる。
【０００３】
本願の出願人は、ツイン振動子を用いた場合には、出力信号に含まれる変動因子と補償用の信号に含まれる変動因子との対応性が高いという点に着目し、ツイン振動子のアプリケーションを検討している。こうしたアプリケーションを開発するにあたって、他方の発振回路の状態、例えば発振回路をオン、オフする場合や発振回路を基本波用として使用するかオーバートーン用として使用するかなどによって、一方の発振回路の出力周波数がわずかながら変動することを見出した。このように一方の発振回路の出力周波数が変動するため、出力周波数の安定性が低くなるという課題がある。
【０００４】
特許文献１には、ツイン振動子において、温度変化に応じて２つの水晶振動子の間で周波数差が現れることを利用して発振周波数の温度補償を行う技術が記載されているが、他方の発振回路が一方の発振回路に及ぼすことについては着目されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２９２０３０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、共通の圧電片に第１の電極対及び第２の電極対を設けてなる圧電振動子を用いるにあたって、一方の発振回路の出力周波数が他方の発振回路の状態にかかわらず安定している発振装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の発振装置は、圧電片に夫々第１の振動領域及び第２の振動領域を形成するための第１の電極対及び第２の電極対を設けてなる圧電振動子と、
前記第１の電極対に接続された第１の発振回路と、
前記第２の電極対に接続された第２の発振回路と、
前記第２の発振回路を一の状態と他の状態との間で切り替えるための状態変更部と、
前記第２の発振回路と前記圧電振動子との接続点と、接地との間に設けられ、第１の発振回路から第２の発振回路を見た負荷容量を調整するための調整用容量とスイッチ部との直列回路と、を備え、
前記スイッチ部は、前記第２の発振回路が一の状態に設定されているときの前記負荷容量と、前記第２の発振回路が他の状態に設定されているときの前記負荷容量と、を揃えるために、オン状態とオフ状態との一方が選択されることを特徴とする。
【０００８】
また本発明の発振装置は、前記第２の発振回路における一の状態は、当該第２の発振回路をオーバートーンで発振させている状態であり、第２の発振回路における他の状態は、当該第２の発振回路を基本波で発振させている状態であることを特徴としてもよい。  
あるいは、本発明の発振装置は、第２の発振回路から出力されるオーバートーンは、第１の発振回路の出力周波数の温度補償を行うために使用され、
第２の発振回路から出力される基本波は、第１の発振回路の出力周波数の経時変化に対する補償を行うために使用されることを特徴としてもよい。  
さらに本発明の発振装置は、前記第２の発振回路における一の状態は、当該第２の発振回路を発振させている状態であり、第２の発振回路における他の状態は、当該第２の発振回路を停止させている状態であることを特徴としてもよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、圧電片に第１及び第２の電極対を設けてなる圧電振動子とこれら電極対に夫々された第１の発振回路及び第２の発振回路とを備えた発振装置において、第２の発振回路及び圧電振動子に対して並列に調整用容量を接続している。そして第２の発振回路が一の状態に設定されているときの前記負荷容量と、前記第２の発振回路が他の状態に設定されているときの前記負荷容量と、を揃えるために、前記調整用容量を第１の発振回路に対して接続した状態と切り離した状態との一方を選択するようにしている。従って第１の発振回路の出力周波数が第２の発振回路の状態にかかわらず安定している。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態に係る発振装置の構成を示す回路図である。
【図２】本発明の発振装置の等価回路を示す回路図である。
【図３】他の実施の形態に係る発振装置の構成を示す回路図である。
【図４】他の実施の形態に係る発振装置の構成を示す回路図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る発振装置の適用例を示すブロック図である。
【図６】実施例に係る発振装置の特性を示す説明図である。
【図７】実施例に係る発振装置の特性を示す説明図である。
【図８】比較例に係る発振装置の特性を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
第１図は、本発明の発振装置の実施の形態を示す図である。図１中の１は圧電振動子である水晶振動子１である。この水晶振動子１は水晶片１０に第１の振動領域１７を形成するために水晶片の両面に夫々設けられた電極１３、１４からなる第１の電極対１１と、この第１の振動領域に隣接して第２の振動領域１８を形成するために水晶片１０の両面に夫々設けられた電極１５、１６からなる第２の電極対１２と、を備えている。
【００１２】
水晶振動子１の第１の電極対１１には、コンデンサ１９を介して第１の発振回路２１が接続されている。この第１の発振回路２１はコルピッツ回路を用いて構成されており、図１では一部の回路要素を省略している。第１の発振回路２１からの出力は、例えばクロック信号として使用される。  
水晶振動子１の第２の電極対１２には、コンデンサ２０を介して第２の発振回路２２が接続されている。第２の発振回路２２は１の発振回路２１と同様にコルピッツ回路として構成されており、第２の発振回路２２からの出力は、例えば前記クロック信号の周波数の補償用信号を生成するために使用される。
【００１３】
第１の発振回路２１及び第２の発振回路２２における回路要素の一部については、同符号を用いており、３０は増幅素子であるトランジスタ、３１、３２は抵抗、３３、３４はコンデンサである。第１の発振回路２１において、トランジスタ３０のベースとアースとの間にはコンデンサ３５，３６の直列回路が設けられている。第２の発振回路２２において、前記コンデンサ３５、３６に対応するコンデンサの組としては２組（３５ａ、３６ａ）及び（３５ｂ、３６ｂ）が用意されており、スイッチ３７、３８によりコンデンサ３５ａ、３６ａの組とコンデンサ３５ｂ、３６ｂの組との一方が第２の発振回路２２の中に取り込まれ、他方が第１の発振回路２１から切り離された状態となる。例えば第１の発振回路２１を３次オーバートーンで発振させるときには、コンデンサ３５ａ、３６ａの組が選択され、第１の発振回路２１を基本波で発振させるときには３５ｂ、３６ｂの組が選択される。すなわちスイッチ３７，３８は、第２の発振回路２２の発振状態を変更する状態変更部を構成している。なお、基本波と３次オーバートーンの発振の使用例については後述する。
【００１４】
水晶振動子１は、夫々の第１の振動領域１６、及び第２の振動領域１７が同一の水晶片１０上に近接しているため、図２に等価回路で示すように、２つの振動領域１６、１７の間に電極間容量９が発生する。このため水晶振動子１の定数及び第２の発振回路２２が第１の発振回路２１の負荷として見える。なおＬ１（Ｌ２）は水晶振動子の質量に対応する直列インダクタンス、Ｃ１（Ｃ３）は直列容量、Ｒ１（Ｒ２）は直列抵抗、Ｃ２（Ｃ４）は電極間容量を含む実効並列容量である。  
そこで第２の発振回路２２と水晶振動子１との接続点、この例ではコンデンサ１９と３４の間と、アースと、の間にスイッチ部４１と調整用容量４２とからなる直列回路が接続される。即ち調整用容量４２は水晶振動子１及び第２の発振回路２２に対して並列に接続されることになる。
【００１５】
この例では第２の発振回路２２は基本波の発振用の状態、及び３次オーバートーンの発振用の状態の間で切り替えられ、第１の発振回路２１から見た第２の発振回路２２側の負荷容量は、第２の発振回路２２を３次オーバートーンで用いる場合の方が第２の発振回路２２を基本波として用いる場合よりも小さい。このため、調整用容量４２の容量値は、第２の発振回路２２を３次オーバートーンとして用いる場合の前記負荷容量と、第２の発振回路２２を基本波として用いる場合の前記負荷容量との差分に対応する値に設定され、第２の発振回路２２を基本波として使用する時には、スイッチ部４１をオフとし調整用容量４２を接続せず、負荷せず、第２の発振回路２２を３次オーバートーンとして使用する時にはスイッチ部４１をオンとして調整用容量４２を第２の発振回路２２と接続するようにに構成される。調整用容量４２の容量値としては、例えば０．７ｐＦに設定される。  
制御部５はスイッチ部４１のオン／オフのための制御信号を出力するためのものであり、オペレータからの指示により、あるいは第２の発振回路２２の状態を変更するときにプログラムにより自動で制御信号を出力する。
【００１６】
上述の実施の形態に係る発振装置の作用について説明する。例えば第１の発振回路２１が３次オーバートーンで発振し、第１の発振回路２１から本実施の形態の発振装置の出力信号として３次オーバートーンの周波数信号が出力される。  
一方第２の発振回路２２は、例えば常時には、状態変更用スイッチ３７、３８により分割コンデンサ３５ａ、３６ａの組が選択され、３次オーバートーンで発振が行われ、その発振出力が第１の発振回路２１の周波数信号の温度補償用信号として用いられる。このときスイッチ部４１はオン状態とされ、調整用容量４２が水晶振動子１及び第２の発振回路２２に対して並列に接続された状態になっている。このため第１の発振回路２１から第２の発振回路２２側を見た負荷は、水晶振動子１の定数及び第２の発振回路２２の負荷容量に調整用容量４２の容量値が加わった値となる。
【００１７】
そして例えば定期的に状態変更用スイッチ３７、３８を分割コンデンサ３５ｂ、３６ｂの組側に切り替え、第２の発振回路２２を基本波で発振させる。この基本波は例えば後述のように第１の発振回路２１の周波数の長期変動分を補償する信号として用いられる。このときスイッチ部４１はオフ状態とされ、調整用容量４２は第１の発振回路２１及び第２の発振回路２２から切り離された状態となっている。このため第１の発振回路２１から第２の発振回路２２を見た負荷容量は、水晶振動子１の定数及び第２の発振回路２２に対応する大きさに見える。  
前述のように調整用容量４２の容量値は、第２の発振回路２２が３次オーバートーンで発振を行うときの負荷と、基本波で発振を行うのときの負荷と、の差分に対応する値で設定されている。従って第１の発振回路２１から第２の発振回路２２を見た負荷容量は、第２の発振回路２２を両状態で発振させたときの間で揃うことになる。
【００１８】
上述の実施の形態によれば、第２の発振回路２２及び水晶振動子１に対して並列に調整用容量４２を設け、スイッチ部４１のオンオフにより調整用容量４２を第２の発振回路２２に対して接続あるいは切り離した状態としている。このため既述のように第１の発振回路２１から第２の発振回路２２を見た負荷容量が揃い、第１の発振回路２１の発振周波数が安定する。
【００１９】
また第２の振動領域１８側の発振周波数の変更は、例えば図３に示すように、第２の振動領域１８と接続される発振回路を第２の発振回路２２と、第３の発振回路２３と、で切り替えて行うようにしてもよい。第２の発振回路２２は、３次オーバートーンで発振するように構成され、第３の発振回路２３は基本波で発振するように構成される。そして水晶振動子１と、第２及び第３の発振回路２２、２３との間に回路切り替え用スイッチ３９を設けて、水晶振動子１と接続される発振回路を第２の発振回路２２と第３の発振回路２３との間で切り替えるように構成する。第３図の例は、別の見方をすれば、図１の第２の発振回路２２は２つの発振回路により構成され、スイッチ３９を切り替えることにより３次オーバートーンで発振する状態と基本波で発振する状態との間で状態が変更できるということである。
【００２０】
また、第２の発振回路２２の状態を変更する例としては、第２の発振回路２２がオン（発振状態）とオフ（停止状態）との間でで切り替わる例を挙げることができる。例えば図４に示すように水晶振動子１と第２の発振回路２２の間に回路接続用スイッチ４０を設ける。第１の発振回路２１から見た第２の発振回路２２側の負荷容量は、第２の発振回路２２で発振をしているときに比べて、発振をしていないときには大きく見える。調整用容量４２の容量値としては、例えば
１２ｐＦに設定される。
【００２１】
第２の発振回路２２で発振させるときには、スイッチ部４１をオンとし調整用容量４２を接続し、第２の発振回路２２を発振しないときにはスイッチ部４１をオフとして調整用容量４２を第２の発振回路２２から切り離すように構成される。このような例によっても第１の発振回路２１から第２の発振回路２２を見た負荷容量は、第２の発振回路２２がどちらの状態でも揃うため、第１の発振回路２１から出力される周波数は安定している。
【００２２】
図５は、本発明の発振装置の適用例の一例を示し、第１の発振回路２１及び第２の発振回路２２の後段側の回路について説明する。第１の周波数差検出部８１は、第１の発振回路２１の出力ｆ１（３次オーバートーン）と第２の発振回路２２の３次オーバートーン出力ｆ２とが入力され、その差分に対応する値を取り出す機能を有する。第２の周波数差検出部８２は、ｆ１を分周回路８０により１／３に分周された周波数信号ｆ１／３と、第２の発振回路２２の基本波の出力ｆ２´と、が入力され、差分に対応する値を取り出す機能を有する。
【００２３】
温度補正値算出部８３は、第１の周波数差検出部８１からの周波数差分出力に基づいて、ｆ１の温度補償を行うための温度補償値を演算する。また経時変化算出部は、第２の周波数差検出部８１からの周波数差分出力に基づいて、ｆ１の経時変化補償を行うための経時変化補償値を演算する。一方ＤＤＳ回路部８７は、ｆ１をクロックとし、周波数設定値に応じたクロック信号が出力される。このクロックｆ１は温度により変化し、また経時変化することから、周波数設定値に対して温度補償値及び経時変化補償値を加えた値をＤＤＳ回路部８７に入力するようにしている。このような構成により、クロックｆ１の温度変化及び経時変化が補償され、結果としてＤＤＳ回路部８７からのクロック信号が安定する。なおこのクロック信号は、例えばＰＬＬ回路のリファレンス信号として使用される。
【００２４】
第２の発振回路２２をオーバートーンで発振させているときには、経時変化補正値算出部８４からは、直前に第２の発振回路２２を基本波で発振させていたときに演算された値を保持して出力するようにしている。また第２の発振回路２２を基本波で発振させているときには、温度補正値算出部８３からは、直前に第２の発振回路２２を基本波で発振させていたときに演算された値を保持して出力するようにしている。
【実施例】
【００２５】
本発明を評価するために次のような評価試験を行った。上述の実施の形態の発振装置を用い、第１の発振回路２１を３次オーバートーンで出力し、第２の発振回路２２を３次オーバートーン、基本波及び停止状態で変更した。調整用容量４２の値は０．７ｐＦ及び１２ｐＦに設定され、調整用容量４２を第２の発振回路２２を３次オーバートーンで発振を行っているときに接続し、基本波で発振させる際及び停止状態には接続しないようにした。
【００２６】
各々の実施例について第１の発振回路２１の出力周波数を測定した。図６は、第２の発振回路２２を基本波、３次オーバートーン及び調整用容量４２（０．７ｐＦ）を接続した状態で３次オーバートーンで発振させた場合の第１の発振回路の出力周波数を示し、図７は、第２の発振回路２２を３次オーバートーンで発振させた場合、停止状態の場合及び調整用容量４２（１２ｐＦ）を接続した状態で３次オーバートーンで発振させた場合の第１の発振回路の出力周波数を示す。
【００２７】
図６に示すように、第２の発振回路２２を３次オーバートーンと基本波で変更した場合には、第１の発振回路２１の出力周波数は１．４Ｈｚ程度変動している。しかし第２の発振回路を調整用容量４２（０．７ｐＦ）を接続して３次オーバートーンで発振した状態から、基本波に変更した場合には、第１の発振回路２１の出力周波数の変動は０．１Ｈｚ程度に留まっている。  
また図７に示すように、第２の発振回路２２を３次オーバートーンと停止状態で変更した場合には、第１の発振回路２１の出力周波数は１１．２Ｈｚ程度変動している。しかし第２の発振回路を調整用容量４２（１２ｐＦ）を接続して３次オーバートーンで発振した状態から、停止状態に変更した場合には、第１の発振回路２１の出力周波数の変動は４．３Ｈｚ程度に留まっている。
【００２８】
図８は第１の発振回路２１を３次オーバートーンで出力し、第２の発振回路２２を３次オーバートーンと基本波で変更したときの調整用容量４２を常時接続しない場合の第１の発振回路の出力周波数の変化を、第１の発振回路２１の出力開始後の経過時間を横軸に、出力される周波数を縦軸に示した特性図である。
【００２９】
実施例では、第２の発振回路２２の出力を３次オーバートーンから基本波に変更した場合にも出力周波数の変動は、０．１Ｈｚ程度に留まっている。  
一方で図８に示す比較例では第２の発振回路２２の出力を３次オーバートーンから基本波に変更した場合に、変更直後から出力周波数は上昇し、５００ｍｓｅｃ経過後に約１Ｈｚ上昇した周波数で安定した。さらに第２の発振回路２２の出力を基本波から３次オーバートーンに変更したときには、第１の発振回路２１の発振周波数は低下した。
【００３０】
上述のように第２の発振回路２２の状態を３次オーバートーンと基本波とで変更した場合には、極僅か（１Ｈｚ）ながら第１の発振回路２１の発振周波数が変化していることが分かる。本発明の実施の形態に係る発振装置を用いた場合には、第１の発振回路２１から出力される周波数の変化は、０．１Ｈｚ程度に抑制されており、９０％程度の改善が見られている。  
また第２の発振回路２２の状態を３次オーバートーンと停止状態とで変更した場合には、第１の発振回路２１の発振周波数が１１．２Ｈｚ変化していることが分かる。本発明の実施の形態に係る発振装置を用いた場合には、第１の発振回路２１から出力される周波数の変化は、４．３Ｈｚに抑制されており、６０％程度の改善が見られている。  
本発明の実施の形態に係る発振装置を用いた場合には、第２の発振回路２２の状態を変更したときにも、第１の発振回路２１から出力される発振周波数は安定しており、極めて高い効果を示しているといえる。
【符号の説明】
【００３１】
１              水晶振動子
１０            水晶片
１１            第１の電極対
１２            第２の電極対
１７            第１の振動領域
１８            第２の振動領域
２１            第１の発振回路
２２            第２の発振回路
３７、３８      状態変更用スイッチ
４１            スイッチ部
４２            調整用容量
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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