(57)【要約】【課題】ＳＡＷ発振器が備えるＳＡＷ振動子の発振周波数を安定化する補償回路を提供する。【解決手段】湿度補償回路１２は、湿度センサ１２１と、この湿度センサ１２１からの入力電圧に対する入力抵抗Ｒｉ、サーミスタからなる抵抗ＲＴｈ、抵抗ＲＰ及び抵抗ＲＳからなるフィードバック回路で決定される増幅率を有する増幅回路１２２と、位相反転のための符号変換回路１２３とがカスケード接続されている。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）発振器の温湿度補償回路において、
上記ＳＡＷ発振器の周波数温度特性を補償するための温度補償電圧を発生する温度補償回路と、
上記ＳＡＷ発振器の周波数湿度特性を補償するための湿度補償電圧を発生する湿度補償回路と、
上記温度補償電圧と上記湿度補償電圧とを加算して出力する加算回路と
を備えることを特徴とするＳＡＷ発振器の温湿度補償回路。
【請求項２】
上記湿度補償回路は、湿度センサと、少なくともサーミスタを含む複数の抵抗からなるフィードバック回路で決定される増幅率を有する増幅回路と、位相反転を行う符号変換回路とがカスケード接続されていることを特徴とする請求項１に記載のＳＡＷ発振器の温湿度補償回路。
【請求項３】
ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）発振器と、
上記ＳＡＷ発振器の周波数温度特性を補償するための温度補償電圧を発生する温度補償回路と、湿度センサ、少なくともサーミスタを含む複数の抵抗からなるフィードバック回路で決定される増幅率を有する増幅回路、及び、位相反転を行う符号変換回路がカスケード接続されており、上記ＳＡＷ発振器の周波数湿度特性を補償するための湿度補償電圧を発生する湿度補償回路と、上記温度補償電圧と上記湿度補償電圧とを加算して出力する加算回路とを有する上記ＳＡＷ発振器の温湿度補償回路と
を備えることを特徴とするＳＡＷ発振装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave：表面弾性波）発振器の発振周波数を安定化するＳＡＷ発振器の温湿度補償回路及びＳＡＷ発振装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳＡＷ発振器は、高周波数で発振し、安価であることから、高速ネットワークの信号生成デバイス等に適用されている。ＳＡＷ発振器内のＳＡＷ振動子は、圧電体の表面に電極が正負交互に並べられた構造を有し、電圧を加えると電極間及び基板物質内を伝播する音速により固有の周波数で発振する。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−３４１０４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ＳＡＷ発振器は、温度変化によりＳＡＷ振動子の電極間隔や基板物質内を伝播する音速が変動して発振周波数が変化するとともに、湿度に対しても発振周波数が変化する。このため、ＳＡＷ発振器は、発振周波数の高精度な安定性を必要とするデバイス等には用いることができなかった。
【０００５】
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、ＳＡＷ発振器の発振周波数を安定化することができるＳＡＷ発振器の温湿度補償回路及びＳＡＷ発振装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の課題を解決するために、本発明は、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）発振器の温湿度補償回路において、上記ＳＡＷ発振器の周波数温度特性を補償するための温度補償電圧を発生する温度補償回路と、上記ＳＡＷ発振器の周波数湿度特性を補償するための湿度補償電圧を発生する湿度補償回路と、上記温度補償電圧と上記湿度補償電圧とを加算して出力する加算回路とを備えることを特徴とする。
【０００７】
また、上述の課題を解決するために、本発明は、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）発振器と、上記ＳＡＷ発振器の周波数温度特性を補償するための温度補償電圧を発生する温度補償回路と、湿度センサ、少なくともサーミスタを含む複数の抵抗からなるフィードバック回路で決定される増幅率を有する増幅回路、及び、位相反転を行う符号変換回路がカスケード接続されており、上記ＳＡＷ発振器の周波数湿度特性を補償するための湿度補償電圧を発生する湿度補償回路と、上記温度補償電圧と上記湿度補償電圧とを加算して出力する加算回路とを有する上記ＳＡＷ発振器の温湿度補償回路とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ＳＡＷ発振器の発振周波数の安定化を高精度に実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００１０】
本発明は、ＳＡＷ発振器の周波数特性を補償する補償回路に関するものである。本実施の形態では、ＳＡＷ発振器として、ＶＣＳＯ（Voltage Controlled SAW Oscillator：電圧制御型ＳＡＷ発振器）を例に挙げて説明する。
【００１１】
本件発明者は、ＶＣＳＯの周波数特性に対する温度及び湿度の影響を調べるための測定実験を行い、当該測定結果に基づいてＶＣＳＯの周波数特性を補償する補償回路を開発した。
【００１２】
図１は、ＶＣＳＯについて、制御電圧と温度とを一定に保つことによりＳＡＷ振動子の発振周波数ｆを安定化させた後に試験槽内を加湿した場合の絶対湿度Ｈ［ｇ／ｍ３］及び周波数変化率Δｆ／ｆ０［ｐｐｍ］の経時変化（サンプリング数に対する変化）を示す図である。ここで、絶対湿度Ｈ［ｇ／ｍ３］は、体積１ｍ３に含まれる水蒸気量［ｇ］を示す。本実施の形態では、ＶＣＳＯの発振周波数が空気中に含まれる水蒸気量に対応して変動すると考えられるため、この絶対湿度Ｈ［ｇ／ｍ３］を用いた。また、周波数変化率Δｆ／ｆ０［ｐｐｍ］には、変化の傾向が容易に判断できるよう、測定値に、当該測定値とは逆の符号を付した。この図１に示すように、周波数変化率Δｆ／ｆ０［ｐｐｍ］は、絶対温度Ｈ［ｇ／ｍ３］に追従して推移した。
【００１３】
図２は、温度Ｔ［℃］をパラメータとして絶対湿度Ｈ［ｇ／ｍ３］に対する周波数変化率Δｆ／ｆ０［ｐｐｍ］の測定結果を示す図である。Ｔ＝２５℃，３０℃，３５℃，４０℃，５０℃，６０℃の各温度において、絶対湿度Ｈ［ｇ／ｍ３］と周波数変化率Δｆ／ｆ０［ｐｐｍ］とはほぼ直線関係が得られ、近似直線の傾きは、温度Ｔ［℃］の上昇に伴って鈍化した。
【００１４】
この図２より、任意の温度Ｔ１［Ｋ］，Ｔ２［Ｋ］の近似直線の傾きをそれぞれａ１，ａ２とすると、温度Ｔ［Ｋ］に対する１ｇ／ｍ３あたりの周波数変化率ΔｆＨは、例えば図３に示すような直線で近似される。また、この近似直線は、数式（１）で表される。ここで、図３に示す近似直線の傾きは、温度Ｔの１Ｋの変化に対する周波数変化率ΔｆＨ［ＨＺ／［ｇ／ｍ３］］を意味する。
【００１５】
【数１】
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【００１６】
数式（１）の両辺に公称周波数ｆ０を乗じることにより周波数偏差となる。
【００１７】
【数２】
2008294858.tif 000004
【００１８】
数式（２）より、湿度変化ΔＨによる周波数変化率ΔｆＨは、数式（４）で定義されるｂ１，ｂ２を用いて数式（３）で表される。
【００１９】
【数３】
2008294858.tif 000005
【００２０】
次に、ＳＡＷ発振器の発振周波数を制御するための制御電圧について述べる。図４は、制御電圧Ｖ［Ｖ］に対する周波数偏差ΔｆＶ［ｋＨｚ］を示す図である。図４に示すように、制御電圧Ｖ［Ｖ］と周波数偏差ΔｆＶ［ｋＨｚ］とは、一定温度においては直線関係となるが、直線の傾きは、温度依存性があるため、温度が上昇するにつれて大きくなる。図４より、Ｔ＝Ｔ１［Ｋ］の場合の制御電圧Ｖ［Ｖ］と周波数偏差ΔｆＶ［ｋＨｚ］との関係は、数式（５）で表される。
【００２１】
【数４】
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【００２２】
また、Ｔ＝Ｔ２［Ｋ］のとき、Δｆｖは、ｃ２を傾き、ｃ３を切片とすると数式（８）で表される。
【００２３】
【数５】
2008294858.tif 000007
【００２４】
このように、周波数−制御電圧特性には、温度依存性があり、例えば図５に示すように温度が上昇すると制御電圧に対する周波数変化の傾斜は大きくなり、この値は、温度に対して直線性を示す。したがって、温度変化に対する制御電圧１Ｖ当たりの周波数変化率Δｆｖ［Ｈｚ／（Ｖ／Ｋ）］を示す直線は、数式（９）で表すことができる。
【００２５】
【数６】
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【００２６】
これより、単位制御電圧あたりの周波数変位ｄｆＶは、数式（１３）で表される。
【００２７】
【数７】
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【００２８】
したがって、数式（５）の係数に数式（１３）の温度特性を乗じた数式（１４）が温度特性を考慮した制御電圧の周波数特性となる。
【００２９】
【数８】
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【００３０】
この数式（１４）より、ｄｆｖだけ周波数補償を行うための補償電圧Ｖは、数式（１５）で表される。
【００３１】
【数９】
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【００３２】
次に、補償すべき温度範囲において、各絶対温度Ｔ［Ｋ］での周波数偏差ｄｆＴ及び絶対湿度Ｈ［ｇ／ｍ３］を測定する。絶対湿度Ｈ［ｇ／ｍ３］の影響のみによる周波数偏差ｄｆＨは、数式（３）に絶対湿度Ｈ［ｇ／ｍ３］を乗じて算出される。これより、温度Ｔ［Ｋ］において絶対湿度Ｈ［ｇ／ｍ３］を０にしたときの周波数偏差ｄｆＴ０は、数式（１６）にて算出される。なお、ｄｆＴ０に対する補償電圧ＶＴは、数式（１５）にて算出される。
【００３３】
【数１０】
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【００３４】
本実施の形態では、このように、各温度に対する補償電圧を算出することにより、補償回路が出力すべき補償電圧−温度曲線（以下、温度補償目標曲線という。）を得ることができ、この温度補償目標曲線に一致するような補償電圧を発生する温度補償回路をサーミスタ、抵抗、演算増幅器を用いて設計する。
【００３５】
また、湿度を原因とする周波数偏差をｄｆとすると、湿度センサにより検出された電圧ΔＶＨは、数式（１７）で表される。
【００３６】
【数１１】
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【００３７】
一方、発振周波数をｄｆだけ補償するために必要な電圧ＶＣＨは、数式（１５）より、数式（１８）となる。
【００３８】
【数１２】
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【００３９】
したがって、これらの間の変換をする増幅器の倍率をＡとすると、Ａは、バイアス電圧Ｖ１を０とした数式（１８）と数式（１７）との比として数式（１９）で表される。
【００４０】
【数１３】
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【００４１】
本実施の形態では、各湿度において公称周波数に到達するための制御電圧を割り出し、湿度変化に応じて補償電圧を発生する湿度補償回路を設計する。すなわち、本実施の形態における湿度補償回路は、数式（１９）で表されるような温度に対して非線形の増幅率を有する回路とする。これは、湿度補償を行うために、湿度センサからの信号に対し、温度の上昇に応じて倍率を右肩下がりに直線的に変化させる増幅回路であることを意味する。この増幅回路において、絶対湿度に対する増幅率は、例えば［表１］に示す値とすることが可能である。
【００４２】
【表１】
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【００４３】
図６は、本実施の形態における温湿度補償回路の一例を示す図である。湿度補償回路１は、ＶＣＳＯに対し、温度補償を行う温度補償回路１１と、湿度補償を行う湿度補償回路１２と、加算器１３とが接続されて構成される。
【００４４】
温度補償回路１１は、サーミスタを含む複数の抵抗と演算増幅器とを備えて温度補償目標曲線に一致するような温度補償電圧を発生して加算器１３に出力する。
【００４５】
湿度補償回路１２は、湿度センサ１２１と、この湿度センサ１２１からの入力電圧に対して入力抵抗Ｒｉ、サーミスタからなる抵抗ＲＴｈ、抵抗ＲＰ及び抵抗ＲＳからなるフィードバック回路で決定される増幅率を有する増幅回路１２２と、位相反転を行う符号変換回路１２３とがカスケード接続されて構成される。
【００４６】
湿度補償回路１２は、温度Ｔ＝ＴＬ，ＴＨにおいて目標曲線（以下、湿度補償目的曲線という。）と一致するか、又は、この湿度補償目標曲線に近い値をとる曲線を得るような湿度補償電圧を発生して加算器に出力する。
【００４７】
フィードバック回路においては、ＲＳ＝０として合成抵抗を算出する。入力抵抗Ｒｉとフィードバック抵抗の比によって計算される増幅率が低温部ＴＬ及び高温部ＴＨのそれぞれにおいて湿度補償目標曲線の増幅率ＡＬ，ＡＨと一致するような数式（２０）及び数式（２１）を立てる。
【００４８】
【数１４】
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【００４９】
数式（２０）、数式（２１）をそれぞれ抵抗ＲＰ，Ｒｉについて解くと数式（２２）、数式（２５）となる。
【００５０】
【数１５】
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【００５１】
抵抗Ｒｓは、低温では増幅率を殆ど変化させず、高温で増幅率を上昇させるようにするものである。
【００５２】
加算器１３は、温度補償回路１１より出力された温度補償電圧と湿度補償回路１２より出力された湿度補償電圧を加算してＶＣＳＯに出力する。
【００５３】
図７は、本実施の形態におけるＶＣＳＯに対して行った温湿度補償の結果を示す図である。図７に示すように、温度Ｔを５０℃に一定に保って絶対湿度Ｈ［ｇ／ｍ３］を１０ｇ／ｍ３から３８ｇ／ｍ３に変化させた場合、湿度補償を行わない場合の周波数変化率Δｆ／ｆ０が約７ｐｐｍ変化したのに対し、湿度補償を行った場合の周波数変化率Δｆ／ｆ０は、１ｐｐｍ以内に収めることができた。
【００５４】
また、温度を変化させた場合においても、温度補償のみを行う場合と比較して、周波数変化率Δｆ／ｆ０を小さくすることができた。例えば、温度−１０〜＋６０℃の範囲では、湿度補償を行わない場合の周波数変化率Δｆ／ｆ０が±５ｐｐｍであるのに対し、湿度補償を行った場合の周波数変化率Δｆ／ｆ０は、±２．５ｐｐｍとなった。
【００５５】
以上より、本実施の形態におけるＳＡＷ発振器の温湿度補償回路１は、温度特性に加えて湿度特性を打ち消すような補償電圧を生成し、ＳＡＷ発振器の周波数特性に対して温度補償及び湿度補償することにより、ＳＡＷ発振器の安定化を高精度に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】絶対湿度Ｈ［ｇ／ｍ３］及び周波数変化率ΔｆＨ［ｐｐｍ］の経時変化を示す図である。
【図２】温度Ｔ［℃］をパラメータとして絶対湿度Ｈ［ｇ／ｍ３］に対する周波数変化率Δｆ／ｆ０［ｐｐｍ］の測定結果を示す図である。
【図３】温度Ｔ［Ｋ］に対する１ｇ／ｍ３あたりの周波数変化率ΔｆＨを示す図である。
【図４】制御電圧Ｖ［Ｖ］に対する周波数偏差ΔｆＶ［ｋＨｚ］を示す図である。
【図５】周波数−制御電圧特性の温度依存性を示す図である。
【図６】本実施の形態における温湿度補償回路の一例を示す図である。
【図７】ＶＣＳＯに対する温湿度補償を行った際の結果を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１  温湿度補償回路、１１  温度補償回路、１２  湿度補償回路、１３  加算器
【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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