(57)【要約】【課題】位相ノイズ特性を劣化させることなく、発振器の周波数感度特性に対応可能な圧電発振器又は温度補償型圧電発振器を提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係る圧電発振器又温度補償型圧電発振器は、圧電振動子（２０６）を有する発振回路（２００）と、入力される制御電圧信号に応じて発振回路の発振周波数を調整するための周波数調整回路（３００）とを有し、周波数調整回路には制御電圧信号に対する発振周波数の感度を調整する感度調整回路（３２０，３２１）とを有することを特徴とする。感度調整回路によって、発振器の電圧―周波数感度を調整することができる。【選択図】      図１
2005027044.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電発振器において、
圧電振動子を有する発振回路と、
入力される制御電圧信号に応じて前記発振回路の発振周波数を調整する周波数調整回路とを有し、
前記周波数調整回路には、前記制御電圧信号に対する前記発振周波数の感度を調整する感度調整回路を備えたことを特徴とする圧電発振器。
【請求項２】
さらに、感度調整回路の周波数感度調整量を可変するための可変手段を有する請求項１に記載の圧電発振器。
【請求項３】
前記感度調整回路は、並列接続された複数の可変容量を有する請求項１又は２に記載の圧電発振器。
【請求項４】
前記感度調整回路は、並列接続された複数の極性の異なる可変容量を有する請求項１又は２に記載の圧電発振器。
【請求項５】
前記感度調整回路は、順方向及び逆方向に並列接続された複数の同一極性の可変容量を有する請求項１又は２に記載の圧電発振器。
【請求項６】
前記感度調整回路は、さらに前記複数の可変容量の内、感度調整に寄与する可変容量を選択するためのスイッチ手段を有する請求項３〜５の何れか一項に記載の圧電発振器。
【請求項７】
前記可変手段は、前記スイッチ手段を制御して、前記感度調整回路の周波数感度調整量を可変する請求項６に記載の圧電発振器。
【請求項８】
前記可変容量は、ＭＯＳ容量素子である請求項３〜７の何れか一項に記載の圧電発振器。
【請求項９】
温度補償型圧電発振器において、
圧電振動子を有する発振回路と、
入力される制御電圧信号に応じて前記発振回路の発振周波数を調整する周波数調整回路と、
温度検出回路と、
該温度検出回路の温度検出出力信号に応じて制御電圧信号を発生する制御電圧信号生成回路を有し、
前記周波数調整回路には、前記制御電圧信号に対する前記発振周波数の感度を調整する感度調整回路を備えたことを特徴とする温度補償型圧電発振器。
【請求項１０】
さらに、感度調整回路の周波数感度調整量を可変するための可変手段を有する請求項９に記載の温度補償型圧電発振器。
【請求項１１】
前記感度調整回路は、並列接続された複数の可変容量を有する請求項９又は１０に記載の温度補償型圧電発振器。
【請求項１２】
前記感度調整回路は、並列接続された複数の極性の異なる可変容量を有する請求項９又は１０に記載の温度補償型圧電発振器。
【請求項１３】
前記感度調整回路は、順方向及び逆方向に並列接続された複数の同一極性の可変容量を有する請求項９又は１０に記載の温度補償型圧電発振器。
【請求項１４】
前記感度調整回路は、さらに前記複数の可変容量の内、感度調整に寄与する可変容量を選択するためのスイッチ手段を有する請求項１１〜１３の何れか一項に記載の温度補償型圧電発振器。
【請求項１５】
前記可変手段は、前記スイッチ手段を制御して、前記感度調整回路の周波数感度調整量を可変する請求項１４に記載の温度補償型圧電発振器。
【請求項１６】
前記可変容量は、ＭＯＳ容量素子である請求項１１〜１５の何れか一項に記載の温度補償型圧電発振器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電発振器及び温度補償型圧電発振器、特に電圧制御型の可変容量コンデンサ素子を備え、その電圧−容量感度を調整することにより電圧−周波数感度を調整することが可能な圧電発振器及び温度補償型圧電発振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８に、ＡＴカット水晶振動子の温度特性（温度変化に対応した周波数偏差の変化）の一例を示す。図８に示す曲線のように、温度Ｔ１〜Ｔ２の間は、温度に拘わらずほぼ一定の周波数偏差を示している。しかしながら、温度Ｔ１以下になると急激に周波数偏差が小さくなるように変化し、また温度Ｔ２以上になると急激に周波数偏差が大きくなるように変化してしまう。即ち、ＡＴカット水晶振動子の温度特性は、３次曲線的に変化する。
【０００３】
従来の温度補償型水晶発振器１５０の構成例を図９に示す（例えば、特許文献１参照）。図９に示すように、温度補償型水晶発振器１５０は、発振回路２００、周波数調整回路３６０及び温度補償回路４００から構成されている。
【０００４】
ここで、発振回路２００は、帰還抵抗素子２０２、インバータ２０４、及び水晶振動子２０６から構成されている。また周波数調整回路３６０は、コンデンサ素子３０２及び３０４、可変容量コンデンサ素子３０６及び３０８、コンデンサ素子３１０及び３１２から構成されている。さらに、温度補償回路４００は、制御電圧信号生成回路４０２及び温度センサを有する温度検出回路４０４より成り、制御電圧信号生成回路４０２は温度検出回路４０４からの温度検出出力を用いて制御電圧信号Ｖ１及びＶ２を生成する。
【０００５】
水晶振動子２０６の負荷容量として作用する可変コンデンサ素子３０６及び３０８は、コンデンサ素子３０２、３０４、３１０及び３１２の作用により、その両端に印加された制御電圧信号Ｖ１及びＶ２の差（Ｖ１−Ｖ２）に比例して容量値が変化するように構成されている。そこで、温度補償型水晶発振器１５０では、制御電圧信号Ｖ１及びＶ２の差（Ｖ１−Ｖ２）が、図８に示した水晶振動子２０６の温度特性の逆になるように、制御電圧信号生成回路４０２で制御電圧信号を生成し、抵抗Ｒ１〜Ｒ４を介して周波数調整回路３６０に供給している。制御電圧信号Ｖ１及びＶ２の差（Ｖ１−Ｖ２）の一例を図１０の曲線１０００（実線）として示す。なお、図１０における曲線１０１０（点線）は、図８に示した水晶振動子２０６の温度特性の曲線を表している。
【０００６】
ところで、水晶発振回路２００及び周波数調整回路３６０は、固有の電圧−周波数特性を有している。この特性を決める要因は２つあり、一方は可変容量コンデンサ素子３０６及び３０８の電圧−容量感度、他方は水晶振動子２０６の容量比で決まる負荷容量−周波数特性である。前者は可変容量コンデンサ素子３０６及び３０８の製造プロセスに起因し、後者は水晶振動子片の厚さや電極の大きさなどに起因する。それらの要因の違いに応じて、例えば、図１１のグラフ１１００とグラフ１１１０のような電圧−周波数特性感度の相違が生じる。なお、図１１において、ｆは水晶発振回路２００の発振周波数、Ｖは制御電圧信号Ｖ１及びＶ２の差（Ｖ１−Ｖ２）を示している。
【０００７】
可変容量コンデンサ素子３０６及び３０８の電圧−容量感度が不明なままで、温度補償回路４００を構成することは通常はあり得ないので、ある温度変化に対して常に一定の容量変化が得られるように温度補償回路４００を構成することは可能である。しかしながら、水晶振動子２０６は、周波数の違いや、同一周波数でも寸法の違い、あるいは振動子製造メーカーの違いによって容量比がことごとく異なっており、どのような容量比の振動子に適用されるのかが不明な状態で温度補償回路４００を構成しなければならないことが多い。
【０００８】
そこで、用いられる水晶振動子２０６の特性がどのようなものであっても、その温度補償が可能となるように、温度補償回路４００は複雑な調整機構を内蔵する必要がある。あるいは、そのような複雑な調整回路を内蔵する代わりに、温度補償回路４００と周波数調整回路３６０との間に感度調整回路５００を設けることも考えられる（図１２参照）。
【０００９】
ここで、感度調整回路５００は、図１１に示すような電圧−周波数感度特性に応じて、温度補償回路４００が作成する制御電圧信号を増幅したり圧縮したりするように機能する。
【００１０】
【特許文献１】
特許第３３５００４０号公報（第１０〜１２頁、第１図）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、温度補償回路４００に複雑な調整機構を内蔵しても、また別途感度調整回路５００を設けても、温度補償信号に対する信号処理操作が加わることになり、位相ノイズ特性を劣化させる要因となっていた。
【００１２】
そこで、本発明は、位相ノイズ特性を劣化させることなく、発振器の周波数感度特性に対応可能な圧電発振器又は温度補償型圧電発振器を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係る圧電発振器は、圧電振動子を有する発振回路と、入力される制御電圧信号に応じて発振回路の発振周波数を調整するための周波数調整回路とを有し、周波数調整回路には制御電圧信号に対する発振周波数の感度を調整するための感度調整回路を備えたことを特徴とする。感度調整回路によって、電圧―周波数感度をも調整することができるように構成したものである。
【００１４】
また、上記の目的を達成するために、本発明に係る温度補償型圧電発振器は、圧電振動子を有する発振回路と、入力される制御電圧信号に応じて発振回路の発振周波数を調整する周波数調整回路と、温度検出回路と、温度検出回路の温度検出出力に応じて制御電圧信号を発生する制御電圧信号発生回路とを有し、周波数調整回路には、制御電圧信号に対する発振周波数の感度を調整する感度調整回路とを備えたことを特徴とする。感度調整回路によって、電圧―周波数感度をも調整することができるように構成したものである。
【００１５】
さらに、本発明に係る圧電発振器又は温度補償型圧電発振器では、感度調整回路の周波数感度調整量を可変するための可変手段を有することが好ましい。
【００１６】
さらに、本発明に係る圧電発振器又は温度補償型圧電発振器では、感度調整回路は、並列接続された複数の可変容量から構成されることが好ましい。
【００１７】
さらに、本発明に係る圧電発振器又は温度補償型圧電発振器では、感度調整回路は、並列接続された複数の極性の異なる可変容量から構成されることが好ましい。
【００１８】
さらに、本発明に係る圧電発振器又は温度補償型圧電発振器では、感度調整回路は、順方向及び逆方向に並列接続された複数の同一極性の可変容量から構成されることが好ましい。
【００１９】
さらに、本発明に係る圧電発振器又は温度補償型圧電発振器では、感度調整回路は、複数の可変容量の内、感度調整に寄与する可変容量を選択するためのスイッチ手段を有することが好ましい。
【００２０】
さらに、本発明に係る圧電発振器又は温度補償型圧電発振器では、可変手段は、スイッチ手段を制御して、感度調整回路の周波数感度調整量を可変することが好ましい。
【００２１】
さらに、本発明に係る圧電発振器又は温度補償型圧電発振器では、可変容量は、ＭＯＳ容量素子であることが好ましい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る圧電発振器及び温度補償型圧電発振器を、添付図面を参照して詳述する。なお、以下の説明では「圧電発振器」及び「温度補償型圧電発振器」の内、代表的な水晶振動子を有する水晶発振器に関して説明を行うが、本発明は他の圧電発振器にも適用可能である。
【００２３】
図１に、温度補償型水晶発振器１００の概要を示す回路図を示す。図１において、温度補償型水晶発振器１００は、水晶発振回路２００、周波数調整回路３００及び温度補償回路４００から構成されている。
【００２４】
ここで、水晶発振回路２００は、主に、帰還抵抗素子２０２、インバータ２０４及び水晶振動子２０６から構成されている。また周波数調整回路３００は、コンデンサ素子３０２及び３０４、感度調整回路３２０及び３２１、コンデンサ素子３１０及び３１２、可変手段３３０から構成されている。さらに、温度補償回路４００は、制御電圧信号生成回路４０２及び温度検出回路４０４から構成されている。
【００２５】
水晶発振回路２００では、帰還抵抗素子２０２、インバータ２０４及び水晶振動子２０６は並列に接続されており、水晶振動子２０６の両端は、周波数調整回路３００のコンデンサ素子３０２及び３０４にそれぞれ接続されている。また、水晶振動子２０６は、ＡＴカット水晶振動子であって、前述した図８に示すような温度特性を有している。
【００２６】
周波数調整回路３００において、コンデンサ素子３０２及び３０４は、インバータ２０４の直流バイアス電圧を遮断するために挿入され、コンデンサ素子３１０及び３１２は、直流成分だけを遮断して感度調整回路３２０及び３２１を高周波的に接地するために挿入されている。
【００２７】
温度補償回路４００において、制御電圧信号生成回路４０２は温度検出回路４０４の温度検出出力を用いて制御電圧信号Ｖ１及びＶ２を生成し、抵抗Ｒ１〜Ｒ４を介して、感度調整回路３２０及び３２１の両端に供給している。
【００２８】
水晶振動子２０６の負荷容量として作用する感度調整回路３２０及び３２１は、コンデンサ素子３０２，３０４，３１０及び３１２の作用により、その両端に印加された制御信号Ｖ１及びＶ２の差（Ｖ１−Ｖ２）に応じて容量値が変化するように構成されている。
【００２９】
図２に、感度調整回路３２０及び３２１の構成例を示す。感度調整回路３２０及び３２１は、Ｎ型ＭＯＳ容量素子３２２とスイッチ３２４とのセットが５セット並列に配置接続（Ａ群）され、さらにＰ型ＭＯＳ容量素子３２６とスイッチ３２８のセットが２セット並列に配置接続（Ｂ群）されている。各スイッチ３２４及び３２８は、個々に可変手段３３０と接続されており、可変手段３３０に含まれるメモリ回路（図示せず）に予め記憶されているデータに応じて、可変手段３３０によってその開閉が制御されるように構成されている。図２の例では、Ｎ型ＭＯＳ容量素子３２２（Ａ群）の内、図中で一番左側のスイッチのみが開放され、他の４つのスイッチは閉じられている。またＰ型ＭＯＳ容量素子３２６（Ｂ群）の内、図中で左側のスイッチが開放され、右側のスイッチが閉じられている。このように、可変手段３３０が感度調整回路３２０及び３２１のスイッチの開閉を制御することによって、感度調整回路３２０及び３２１全体の電圧−容量感度を変化させることができる。
【００３０】
なおＭＯＳ容量素子は、一般に、所定値以上の高電圧又は所定値以下の低電圧がＭＯＳ容量素子の電極間に印加された場合には、印加電圧に拘わらずほぼ一定の容量を示し、所定範囲の電圧が前記ＭＯＳ容量素子の電極間に印加された場合には、印加電圧に応じて容量が変化するという、容量−電圧特性を有している。
【００３１】
図３に、Ｎ型ＭＯＳ容量素子３２２の断面図を示す。図に示すように、Ｎ型ＭＯＳ容量素子３２２は、ゲート電極３４１と対向電極３４２がＰ型半導体基板３４３上のＮウェル３４４上に形成されており、対向電極３４２を基準としてゲート電極３４１に印加される電圧Ｖに応じて、図４に示すように容量（ｐＦ）が変化する。電圧Ｖがある値Ｖ３よりも低い時及びある値Ｖ４よりも高い時は、容量の変化はわずかであり、可変容量として使用される場合は、電圧ＶはＶ３からＶ４の間に設定される。図４から明らかなように、Ｎ型ＭＯＳ容量素子は、電圧Ｖの増加とともに容量が増加するので、正極性の可変容量である。
【００３２】
図５に、Ｐ型ＭＯＳ容量素子３２６の断面図を示す。図に示すように、Ｐ型ＭＯＳ容量素子３２６は、ゲート電極３５１と対向電極３５２がＮ型半導体基板３５３上のＰウェル３５４上に形成されており、対向電極３５２を基準としてゲート電極３５１に印加される電圧Ｖに応じて、図６に示すように（図４とは逆に）容量（ｐＦ）が変化する。電圧Ｖがある値Ｖ５よりも低い時及びある値Ｖ６よりも高い時は、容量の変化はわずかであり、可変容量として使用される場合は、電圧ＶはＶ５からＶ６の間に設定される。図６から明らかなように、Ｐ型ＭＯＳ容量素子は、電圧Ｖの増加とともに容量が減少するので、負極性の可変容量である。
【００３３】
Ｖ３とＶ５、あるいは、Ｖ４とＶ６は、必ずしも同一の電圧ではないが、Ｎ型ＭＯＳ容量素子とＰ型ＭＯＳ容量素子とをＣＭＯＳ製造プロセスを用いて同時に形成すれば、それぞれの電圧をほぼ一致させることは容易である。
【００３４】
図７に、図２に示す感度調整回路３２０（又は３２１）全体の電圧―容量変化の例を示す。図において、曲線７０１は、Ａとして示す５つのＮ型ＭＯＳ容量素子３２２に対応するスイッチ３２４を全て閉じ、且つＢとして示すＰ型ＭＯＳ容量素子３２６に対応するスイッチ３２８を全て開放した場合の、対向電極を基準としてゲート電極に印加される電圧Ｖ（この場合、制御電圧信号Ｖ１及びＶ２の差（Ｖ１−Ｖ２）に相当する）に対応する容量の変化を示している。また、曲線７０２は、Ａとして示す５つのＮ型ＭＯＳ容量素子３２２に対応するスイッチ３２４を全て開放し、且つＢとして示すＰ型ＭＯＳ容量素子３２６に対応するスイッチ３２８を全て閉じた場合の、対向電極を基準としてゲート電極に印加される電圧Ｖに対応する容量の変化を示している。さらに、曲線７０３は、Ａとして示す５つのＮ型ＭＯＳ容量素子３２２に対応するスイッチ３２４を全て閉じ、且つＢとして示すＰ型ＭＯＳ容量素子３２６に対応するスイッチ３２８を全て閉じた場合の、対向電極を基準としてゲート電圧に印加される電圧Ｖに対応する容量の変化を示している。
【００３５】
電圧ＶがＶ３（又はＶ５）からＶ４（又はＶ６）の間が、可変容量として使用される範囲であるが、この間の曲線７０３の傾斜は、曲線７０１の傾斜よりも小さくなっている。つまり、曲線７０３は曲線７０１よりも電圧−容量感度が小さい。このことは、スイッチの開閉を調整することにより、電圧−容量感度の調整が可能であることを示している。
【００３６】
水晶発振回路は、負荷容量の変化が大きければ大きいほど周波数の変化が大きいから、電圧−容量感度の調整により、電圧−周波数感度の調整が可能となる。
【００３７】
図２に示すような感度調整回路３２０（又は３２１）においては、スイッチは一般的にＭＯＳトランジスタで構成される。ＭＯＳトランジスタは、完全なオン状態又は完全なオフ状態では、水晶発振回路のノイズ源にはならないことが経験的に知られており、このような構成を用いて電圧−周波数感度調整を行っても、位相ノイズ特性が劣化することはない。
【００３８】
なお、図２に示す感度調整回路３２０（又は３２１）では、Ｐ型ＭＯＳ容量素子３２２とＮ型ＭＯＳ容量素子３２６を同じ向きに、複数並列に接続したが、これに限定されず、Ｐ型ＭＯＳ容量素子のみを、順方向及び逆方向に並列に接続するようにしても良い。また、同様に、Ｎ型ＭＯＳ容量素子のみを、順方向及び逆方向に並列に接続するようにしても良い。さらに、通常の可変容量コンデンサ又は固定容量コンデンサ素子を、Ｐ型又はＮ型ＭＯＳ容量素子と組み合わせて用いても良い。
【００３９】
以上、温度補償型水晶発振器１００について説明したが、図１において、水晶発振回路２００及び周波数調整回路３００の部分を、電圧調整型水晶発振器（ＶＣＸＯ）として用いることも可能である。
【００４０】
本実施形態では、感度調整器を２個用いて説明したが、多少調整感度は落ちるものの感度調整回路を１個用いる構成も可能である。
【００４１】
【発明の効果】
このように、本発明に係る圧電発振器又は温度補償型圧電発振器では、周波数調整回路側にノイズ発生のない感度調整回路を設けたので、温度補償回路側では、電圧−周波数感度特性を考慮する必要がなくなり、感度調整回路による位相ノイズ特性の劣化という不具合を解消することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る温度補償型圧電発振器を示す図である。
【図２】図１の発振器に用いられる感度調整回路を示す図である。
【図３】Ｎ型ＭＯＳ容量素子の断面図を示す図である。
【図４】図３に示すＮ型ＭＯＳ容量素子の容量―電圧カーブを示す図である。
【図５】Ｐ型ＭＯＳ容量素子の断面図を示す図である。
【図６】図５に示すＰ型ＭＯＳ容量素子の容量―電圧カーブを示す図である。
【図７】図２に示す感度調整回路の容量―電圧カーブを示す図である。
【図８】ＡＴカット水晶振動子の温度特性を示す図である。
【図９】従来の温度補償型水晶発振器の一例を示す図である。
【図１０】図９に示す温度補償型水晶発振器に用いられる制御電圧信号の一例を示す図である。
【図１１】ＶＣＸＯの周波数―電圧特性を示す図である。
【図１２】従来の温度補償型水晶発振器の他の例を示す図である。
【符号の説明】
１００…温度補償型圧電発振器
２００…水晶発振回路
２０６…水晶振動子
３００…周波数調整回路
３２０…感度調整回路
３３０…可変手段
４００…温度補償回路
【図１】
2005027044.tif 000003
【図２】
2005027044.tif 000004
【図３】
2005027044.tif 000005
【図４】
2005027044.tif 000006
【図５】
2005027044.tif 000007
【図６】
2005027044.tif 000008
【図７】
2005027044.tif 000009
【図８】
2005027044.tif 000010
【図９】
2005027044.tif 000011
【図１０】
2005027044.tif 000012
【図１１】
2005027044.tif 000013
【図１２】
2005027044.tif 000014