(57)【要約】【課題】精度よく周波数を補正することが可能な水晶発振器及びそれを有する電子機器を提供する。【解決手段】音叉型水晶振動子と、音叉型水晶振動子を発振させるための水晶発振回路と、水晶発振回路から出力される出力周波数を補正可能な周波数補正回路と、を備える水晶発振器において、周波数補正回路は、音叉型水晶振動子の周波数偏差の温度特性式を温度に関する三次式として近似し、所定の温度において測定された音叉型水晶振動子の周波数を、所定の温度を前記三次式に代入することで得られる補正値によって補正するように構成されていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
音叉型水晶振動子と、
前記音叉型水晶振動子を発振させる水晶発振回路と、
前記水晶発振回路から出力される出力周波数を補正可能な周波数補正手段と、
を備える水晶発振器において、
前記周波数補正手段は、
前記音叉型水晶振動子の周波数偏差の温度特性式を温度に関する三次式として近似し、所定の温度において測定された前記音叉型水晶振動子の周波数を、前記所定の温度を前記三次式に代入することで得られる補正値によって補正するように構成されていることを特徴とする水晶発振器。
【請求項２】
前記三次式は温度範囲−２０℃〜６０℃の間で極大値を持つことを特徴とする請求項１に記載の水晶発振器。
【請求項３】
前記周波数補正手段は、少なくとも４つの異なる温度で前記音叉型水晶振動子の周波数を測定することにより前記三次式を決定することを特徴とする請求項１または２に記載の水晶発振器。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の水晶発振器を有することを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水晶発振器及びそれを有する電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、音叉型水晶振動子を発振回路に組み込んだ時計又は携帯電話が多く普及している。音叉型水晶振動子は、電圧が印加されることにより、所定の周波数で振動する特性があるが、この周波数は、水晶振動子又はその周囲の温度変化によって変化することが知られている。
図６に示すように、一般に音叉型水晶振動子の周波数偏差の温度特性は＋２５℃を頂点に負の２次曲線を示す。この２次曲線を数式化したものを、「周波数偏差の温度特性式」とする。ここで、２次曲線の極大値を示す温度をＴｉ、その時の共振周波数をｆ０、任意の温度Ｔ℃における音叉型水晶振動子の共振周波数をｆ、ｆとｆ０との差（周波数変化量）をΔｆ、２次温度係数をＢとすると、周波数偏差Δｆ／ｆ０は次式で表される。
Δｆ／ｆ０＝Ｂ（Ｔ−Ｔｉ）2  ・・・式（１）
図６によれば、Ｔｉは＋２５℃であり、２５℃よりも低温になるに従い、あるいは２５℃より高温になるに従い、周波数偏差Δｆ／ｆ０の絶対値は大きくなる。たとえば、図６によれば、温度Ｔが−１０℃では周波数偏差は約−４３×１０-6（−４３ｐｐｍ）である。このように音叉型水晶振動子の場合、音叉型水晶振動子を使用する環境の温度範囲（以下、使用温度範囲という）が広くなるほど、周波数偏差の絶対値は大きくなる。つまり、使用温度範囲が広ければ広いほど、音叉型水晶振動子の周波数の精度は大きく変化することになる。
【０００３】
一方、音叉型水晶振動子が実装されている時計や携帯電話に対しては、使用温度範囲−２０℃〜６０℃において、周波数偏差±２０×１０-6（±２０ｐｐｍ）以下の精度が要求されており、近年では電子機器の高機能化に伴ってさらなる高精度が要求されている。しかし、音叉型水晶振動子は図６に示すような温度特性を有しているので、周波数を何らかの手段で補正しない限り、高精度化を達成することができない。
そこで、音叉型水晶振動子の周波数偏差を補正して温度変化に伴う周波数偏差の変化を小さく抑えるといった方法が提案されている。なお、関連する技術が下記非特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】「ＳＩＩ  水晶振動子  製品カタログ２０１１」、セイコーインスツル株式会社、２０１１年、Ｐ１５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
周波数偏差の温度特性に基づいて周波数を補正するには、例えば、図６のような周波数偏差の温度特性を予め求めておき、この特性からある温度Ｔにおける周波数偏差Δｆ／ｆ（Ｔ）を求め、実際の測定周波数から上記の周波数偏差Δｆ／ｆ（Ｔ）分を差し引けばよい。例えば上述したように、図６によれば、温度Ｔが−１０℃では周波数偏差は約−４３×１０-6（−４３ｐｐｍ）であるので、音叉型水晶振動子の使用温度が−１０℃の時は、実際の測定周波数に対して−４３ｐｐｍを補正値として加えればよい。
より具体的には、従来の周波数補正方法は、まず、複数の異なる温度で音叉型水晶振動子の周波数を測定し、図６に示すような周波数偏差の温度特性を求める。そして、得られた温度特性グラフから近似式（「周波数偏差の温度特性式」）を求め、その近似式に基づいて、周波数を補正する。なお、従来では「周波数偏差の温度特性式」は二次式として近似している。
図７は、音叉型水晶振動子の周波数偏差の実測値から求めた近似曲線を示す図で、測定点数を５点として近似曲線の精度を高めた図である。ここでは、５種類の温度（−３８．９℃、０．４℃、２５．２℃、３９．８℃、８３．９℃）で各６０回周波数を測定している。これらの測定データから最小二乗法により近似式を求めると、
Ｈ（Ｔ）＝Δｆ／ｆ０＝−０．０３３７Ｔ2＋１．５３８５Ｔ−１７．７１１・・・式（２）
となり、二次曲線が求められる。
しかし従来ではこの二次曲線に相当の誤差が含まれているため、音叉型水晶振動子の周波数を高精度に補正することが困難である。例えば、近似曲線と、周波数の実測値との差異を図８に示すと、図示するように、上記近似曲線には最大で±３ｐｐｍ程度の誤差がある。この誤差は、測定条件次第ではさらに大きくなる可能性があるので、近似曲線に基づいて音叉型水晶振動子の周波数偏差を補正する場合は、近似曲線自体に±１０ｐｐｍ程度の誤差がある点を考慮する必要がある。即ち誤差が大きい。
このように従来の音叉型水晶振動子の周波数補正方法では、補正の基礎となる周波数偏差の温度特性式に誤差が含まれているので、周波数を精度よく補正することが困難である。そこで本願発明は、水晶発振器及びそれを有する電子機器において、精度よく周波数を補正することが可能な水晶発振器及びそれを有する電子機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】
【０００６】
上記目的を達成するために本発明では、
音叉型水晶振動子と、
前記音叉型水晶振動子を発振させるための水晶発振回路と、
前記水晶発振回路から出力される出力周波数を補正可能な周波数補正回路と、
を備える水晶発振器において、
前記周波数補正回路は、
前記音叉型水晶振動子の周波数偏差の温度特性式を温度に関する三次式として近似し、所定の温度において測定された前記音叉型水晶振動子の周波数を、前記所定の温度を前記三次式に代入することで得られる補正値によって補正するように構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、水晶発振器及びそれを有する電子機器において、精度よく周波数を補正することが可能な水晶発振器及びそれを有する電子機器を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明における周波数偏差の近似曲線を示す。
【図２】図２は、本発明における周波数偏差の近似曲線と実測値との差を示す。
【図３】図３は、図４に示す実測値を三次式で近似した図である。
【図４】図４は、本発明における周波数補正方法のプロセスを示す図である。
【図５】図５は、本発明に係る晶発振器の概略構成を示す。
【図６】図６は、音叉型水晶振動子の周波数偏差の温度特性を示す図である。
【図７】図７は、従来における周波数偏差の近似曲線を示す。
【図８】図８は、従来における周波数偏差の近似曲線と実測値との差を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１〜図６を参照して、本実施形態に係る水晶発振器及びそれを有する電子機器について説明する。本実施形態は、周波数の補正方法について従来とは異なる大きな特徴を有するものである。なお、詳細は後述するが、本実施形態の周波数補正方法は、水晶発振回路に実装された音叉型水晶振動子の出力周波数を補正するための方法であり、具体的には、水晶発振回路に併設された周波数補正回路（周波数補正手段）によって行われている。ここでは周波数補正手段として周波数補正回路を挙げて説明するが、周波数補正手段の形態はこれに限られるものではない。
まず、本願発明者らの鋭意検討によると、図８に示す周波数のバラツキを三次曲線として近似できることがわかった。図３に、図８のバラツキを三次曲線に近似した曲線を示す。つまり、音叉型水晶振動子の周波数偏差の温度特性式である二次式と、実測値との誤差は、三次式に近似できることになる。言い換えれば、音叉型水晶振動子の周波数偏差の温度特性式は二次式として仮定しているが、実際には誤差項として三次式を含んでいることになる。
すなわち、音叉型水晶振動子の周波数偏差の温度特性式は、
Ｋ（Ｔ）＝Δｆ／ｆ０＝β（Ｔ−Ｔｉ）2＋γ（Ｔ−Ｔｉ）3・・・式（３）
として表すことができることが本願発明者らによって判明した。なお、ここでβは二次係数、γは三次係数、ＴｉはＫ（Ｔ）が極大値を示すときの温度であり、ｆ０は温度Ｔｉにおける音叉型水晶振動子の周波数である。
周波数を補正する際は、上式を完成させるために、少なくとも４種類の温度にて水晶振動子の周波数を測定して、式（３）における各係数を求める。
そして、使用温度Ｔのときの音叉型水晶振動子の発振周波数ｆ（Ｔ）を式（４）のように補正し、発振回路の出力周波数ｇ（Ｔ）を得る。
ｇ（Ｔ）＝ｆ（Ｔ）−Ｋ（Ｔ）・・・式（４）
【００１０】
図１は、本実施形態における周波数偏差の温度特性の近似曲線を示す図である。上述のように、音叉型水晶振動子の周波数偏差の温度特性式は誤差項として三次式を含むので、近似曲線は三次曲線となる。なお、図１は図７と同じ実測値に基づいており、５種類の温度（−３８．９℃、０．４℃、２５．２℃、３９．８℃、８３．９℃）で各６０回周波数を測定したデータをプロットしたものである。この周波数偏差の温度特性式は三次式であると仮定して（従来では二次式と仮定した）、これらのデータから最小二乗法により近似式を求めると、
Ｋ（Ｔ）＝Δｆ／ｆ0＝−４ｘ１０-5Ｔ3−０．０３０９Ｔ2＋１．６１７５Ｔ−２０．５０２・・・式（５）
となる。
この式の相関係数Ｒの平方（決定係数）は１であるから、この近似は非常に良い近似と言える。なお、相関係数（correlation coefficient）とは、２つの変数の間の相関（類似性の度合い）を示す HYPERLINK "http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%B5%B1%E8%A8%88%E5%AD%A6" \o "統計学" 統計学的指標であり、この値が１に近いときは２つの HYPERLINK "http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%A2%BA%E7%8E%87%E5%A4%89%E6%95%B0" \o "確率変数" 確率変数には正の相関がある、即ち「良い近似」といえる。本実施形態の相関係数Ｒの平方は１であるので、このことからも音叉型水晶振動子の周波数偏差は、三次曲線と考えた方が良いことが分かる。なお、（３）式と（５）式の係数を比較することにより、β、γおよびTｉを決定することができる。
【００１１】
次に、実測値Ｇ（Ｔ）と近似式による近似値Ｋ（Ｔ）との差をＪ（Ｔ）とする。つまり、Ｊ（Ｔ）＝Ｇ（Ｔ）−Ｋ（Ｔ）とする。そしてＪ（Ｔ）をグラフにプロットすると、図２のようになる。図２によれば、Ｊ（Ｔ）のばらつきは最大で±０．０５ｐｐｍ程度である。測定法の相違や測定条件の変動があればＪ（Ｔ）の最大値はもっと大きくなるが、それでも±１ｐｐｍ程度を考慮すれば良い。このように、本実施形態の補正方法を用いた図２と、従来の補正方法を用いた図８とを比較すれば、その差は歴然であり、本実施形態の方が周波数偏差の温度特性に含まれる誤差が非常に小さいことが分かる。以上から、音叉型水晶振動子の周波数偏差を三次式として補正することにより、音叉型水晶振動子の周波数を高精度に補正することが可能になる。
【００１２】
図４は、本実施形態における周波数補正方法のプロセスを示す図で、上述した内容を整理したものである。
まず、ＳＴＥＰ１として、補正対象の音叉型水晶振動子を用いて、少なくとも４種類の異なる温度で発振周波数ｆ（Ｔ）を測定する。通常は所定の発振回路に補正対象の音叉型水晶振動子をセットして共振周波数を測定する。
次にＳＴＥＰ２として、音叉型水晶発振子は温度Ｔｉで極大値を有する三次関数に近似できるので、測定した温度と周波数の値から三次関数のそれぞれの係数を求める。たとえば、最小二乗法によりこれらの係数を決定できる。あるいはテーラー展開等の他の数学的方法を用いてこれらの係数を求めても良い。
より具体的には、温度Ｔｉにおける発振周波数をｆ（Ｔｉ）、任意の温度Ｔにおける（通常Ｔは使用温度範囲、たとえば−２０℃〜６０℃の間に設定される）発振周波数をｆ（Ｔ）とすれば、周波数偏差Δｆの近似式は、Δｆ（Ｔ）／ｆ（Ｔ）＝（ｆ（Ｔ）−ｆ（Ｔｉ））／ｆ（Ｔ）＝β（Ｔ−Tｉ）2＋γ（T−Tｉ）3となる。
そして、複数の測定値（T、Δｆ）より三次の近似式Δｆ（Ｔ）／ｆ（Ｔ）＝（ｆ（Ｔ）−ｆ（Ｔｉ））／ｆ（Ｔ）＝ａＴ3＋ｂＴ2＋ｃＴ＋ｄ（ａ、ｂ、ｃ、ｄは定数）を求めて（たとえば、最小二乗法を用いた係数決定法による）、β、γおよびＴｉを決定することができる。
４種類の異なる温度で各１点だけ音叉型水晶振動子の発振周波数を測定すれば、ａ、ｂ、ｃ、ｄを決定することができるが、近似式の精度を上げるために測定数を増やすことが望ましい。最低４種類の温度があれば、同じ温度で繰り返し発振周波数を測定して測定値を増やしても良い。以上から、対象とする音叉型水晶振動子の周波数偏差の温度特性式を求めることができる。
【００１３】
次に、ＳＴＥＰ３として、音叉型水晶振動子の使用温度を温度計や温度センサー等を用いて測定する。使用温度とは、音叉型水晶振動子自体の温度を意味するが、音叉型水晶振動子自体の温度を測定することが困難な場合は、音叉型水晶振動子が置かれた周辺環境の温度であってもよい。この温度をＴａ℃とすると、この音叉型水晶振動子の共振周波数ｍ（Ｔａ）（所定の温度において測定された周波数）は、次式に近い共振周波数を示すことが予測できる。
そしてＳＴＥＰ４として、
Δｆ（Ｔａ）／ｆ（Ｔｉ）＝β（Ｔ−Ｔｉ）2＋γ（Ｔ−Ｔｉ）3
ｍ（Ｔａ）≒ｆ（Ｔａ）＝ｆ（Ｔｉ）＋Δｆ（Ｔａ）を計算し、
ＳＴＥＰ５として、
発振回路における出力をΔｆ（Ｔａ）で補正して、
ｇ（Ｔａ）＝ｍ（Ｔａ）−Δｆ（Ｔａ）≒ｆ（Ｔａ）−Δｆ（Ｔａ）
＝ｆ（Ｔａ）−ｆ（Ｔｉ）｛β（Ｔ−Ｔｉ）2＋γ（Ｔ−Ｔｉ）3｝
を出力してやれば良い。なお、このΔｆ（Ｔａ）を「所定の温度を三次式に代入することで得られる補正値」とする。
この値ｇ（Ｔａ）はほぼｆ（Ｔｉ）に等しくなる。すなわち、ｇ（Ｔａ）≒ｆ（Ｔｉ）である。このように、音叉型水晶振動子の周波数偏差の温度特性を、温度に関する三次関数として補正すれば、図２に示したように音叉型水晶振動子の使用温度範囲において常に一定の周波数を出力することができる。
【００１４】
図５は、本実施形態における周波数補正方法を行なう水晶発振器の構成図の一例である。図５に示すように、水晶発振器１０は、音叉型の水晶振動子１２、ＩＣ（半導体集積回路）１１および温度センサー１３から構成される。ＩＣ１１は、水晶発振回路１４、増幅用の出力インバータ２１、周波数補正回路２５を含む。水晶発振回路１４は、増幅用インバータ１６、帰還抵抗１５、コンデンサ１７、１８、制御抵抗１９、水晶振動子１２から構成され、水晶振動子１２はＩＣ１１の発振回路１４に外付けされている。本実施形態では、水晶振動子１２は音叉型である。コンデンサ１８は容量可変型であり、周波数補正回路２５からの信号でコンデンサ１８の容量を変化させることができる。コンデンサ１８の容量を変化させることにより、水晶発振回路１４の負荷容量を変化させ、水晶発振回路１４からの出力信号２７を補正することができる。周波数の補正方法に関しては上述した通りである、周波数補正回路２５は、ＲＯＭまたはＲＡＭ等のメモリ回路２３および周波数補正の制御・演算用ＣＰＵ２２からなる。この周波数補正回路２５は水晶発振器１０の全体を制御したり、水晶発振器１０へ接続する種々の機能を有するＩＣの一部であっても良い。
【００１５】
水晶振動子１２の周波数を補正する際は、まず、コンデンサ１８の容量を一定値に固定し、種々の温度（少なくとも４種類の温度）で水晶発振回路１４からの出力信号２７（または２８）の周波数を測定する。温度は特別に用意した温度計で測定しても良いし、温度センサー１３を用いて測定しても良い。温度測定は水晶発振子１２の温度をできるだけ正確に測定できることが望ましい。これらの測定データから、水晶振動子１２の周波数偏差の近似式を上述した方法により温度に関する三次式として求める。そして、三次式の各係数値をメモリ回路２３に記憶させる。
その後、水晶発振器１０を組み込んだ電子機器（時計、携帯機器等）において、水晶発振器１０を動作させて、温度センサーで得た温度Ｔａ℃のときに、メモリ回路２３に記憶させた係数を使って、三次式によりＣＰＵ２２で計算処理して周波数偏差を計算する。この周波数偏差をもとにコンデンサ１８の容量を変化させて、水晶発振回路１４からの出力信号２７を補正する。補正された出力信号２７は増幅器２１により整形信号２８として出力される。以上のようにして精度の高い周波数を出力できる。
【００１６】
あるいは、コンデンサ容量１８を可変させずに、水晶発振回路１４からの出力２７または２８を周波数補正回路２５からの信号で補正しても良い。たとえば、温度センサーで得た周囲温度Ｔａ℃とメモリ回路２３内に記憶させた三次式からＣＰＵ２２で周波数偏差を求めて、この値を上述のように水晶発振回路１４からの出力から差し引きして補正すれば、常にほぼ一定の周波数の振動波形を得ることができる。さらに、これまでに提案された種々の補正方法や補正回路などに本実施形態を適用できることも言うまでもない。尚、温度センサーとしても本発明を適用できる。たとえば、図５に示す水晶発振回路１４からの共振振動数を測定して、この振動数と極大値を示す温度（Ｔｉ）における振動数との差を求めて、周波数偏差量を計算して、たとえば式（５）を解けば、その共振振動数を示す温度を求めることができる。
【００１７】
従来では、音叉型水晶振動子の周波数偏差は一定温度（Ｔｉ）で極大値を示す上に凸型の負の二次曲線を示すと考えられてきたが、本発明者らの鋭意検討により、音叉型水晶振動子の周波数偏差は実は温度に関して三次曲線を示すことが判明した。三次曲線を示すことだけから考えるとＡＴカットの水晶振動子と同様であると考えられるが、本質は全く異なる。ＡＴカット水晶振動子の場合は、三次係数がメインであり、二次係数と同様な重みづけがあるが、（係数の大きさが同程度である）音叉型水晶振動子の場合には三次係数の値は二次係数の値よりかなり小さく、いわば誤差項と考えられる程度の大きさである。従ってこれまでは音叉型水晶振動子の周波数偏差の温度特性に三次成分が含まれている点に関して、何ら開示も示唆もなかったが、本発明者らが鋭意検討の結果、音叉型水晶振動子の周波数偏差の温度特性には三次成分も含まれていることを発見し、この成分も補正することにより、音叉型水晶振動子を含む非常に精度の良い水晶発振回路や水晶発振器を実現できることが分かった。
【００１８】
さらに本実施形態は、音叉型水晶発振子を含む水晶発振回路や水晶発振器を有するすべてのものに適用できる。たとえば、時計、携帯電話、携帯端末、パソコン、電卓、各種通信機器、各種電気機器等の電子機器に適用できることは言うまでもない。また、水晶振動子だけでなく、音叉型の圧電振動子に対しても本発明を適用でき、その圧電振動子を用いた機器にも適用できる。
以上より、本実施形態によれば、水晶発振器及びそれを有する電子機器において、精度よく周波数を補正することが可能な水晶発振器及びそれを有する電子機器を提供することが可能になる。
【００１９】
尚、明細書のある部分に記載し説明した内容を記載しなかった他の部分においても矛盾なく適用できることに関しては、当該他の部分に当該内容を適用できることは言うまでもない。さらに、上記実施形態は一例であり、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施でき、本発明の権利範囲が上記実施形態に限定されないことも言うまでもない。
【符号の説明】
【００２０】
１０・・・水晶発振器
１１・・・ＩＣ（半導体集積回路）
１２・・・水晶振動子
１３・・・温度センサー
１４・・・水晶発振回路
１５・・・帰還抵抗
１６・・・増幅用インバータ
１７・・・コンデンサ
１８・・・コンデンサ
１９・・・制御抵抗
２１・・・増幅用の出力インバータ
２２・・・ＣＰＵ
２３・・・メモリ回路
２５・・・周波数補正回路
【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】
2013150120.tif 000009
【図８】
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