(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶振動子を備えた水晶発振器を有し、その水晶発振子に機械的衝撃力が加えられた際、その機械的衝撃力による水晶発振子の中心周波数の変動感度を調整する水晶発振器の感度調整方法であって、
上記水晶発振子に加えられる機械的衝撃力をＦ、時間をｔ、水晶振動子の質量をＭ、水晶振動子のばね定数をｋ、変位をｘ、ダンピング定数をＤ、水晶振動子のドライブ電流をｉ、この水晶振動子のドライブ電流に依存する関数をζ(i)として表わされる次式の
Ｆ(t,i)＝Ｍ・ζ(i)(ｄ２ ｘ／ｄｔ２ )＋Ｄ・ζ(i)(ｄｘ／ｄｔ)＋ｘ・ｋ・ζ(i)に基づき、
水晶発振子の中心周波数の変動感度が小さくなるように、その水晶発振子のドライブ電流を制限することを特徴とする水晶発振器の感度調整方法。
【請求項２】
水晶振動子を備えた水晶発振器を有し、その水晶発振子に機械的衝撃力が加えられた際、その機械的衝撃力による水晶発振子の中心周波数の変動感度を調整する水晶発振器の感度調整方法であって、
上記水晶発振子に加えられる機械的衝撃力をＦ、時間をｔ、水晶振動子の質量をＭ、水晶振動子のばね定数をｋ、変位をｘ、ダンピング定数をＤ、水晶振動子のドライブ電流をｉ、この水晶振動子のドライブ電流に依存する関数をζ(i２ )として表わされる次式の
Ｆ(t+Δt)＝Ｍ・ζ(i２ )(ｄ２ ｘ／ｄｔ２ )＋Ｄ・ζ(i２ )(ｄｘ／ｄｔ)２ ＋ｘ・ｋ・ζ(i２ )に基づき、
水晶発振子の中心周波数の変動感度が小さくなるように、その水晶発振子のドライブ電流を制限することを特徴とする水晶発振器の感度調整方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、時計や電子機器に用いられる水晶発振器の感度調整方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、上記した水晶発振器としては、例えば、ＡＴカットの水晶振動子を備えた電圧制御型の水晶発振器ＶＣＸＯ（Voltage Control X,tal Oscillator）があり、この水晶発振器では、印加電圧を変化させて周波数をコントロールするようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記した従来の水晶発振器において、水晶振動子を切り出す際の角度偏差による初期応力や、水晶振動子に対して行う研磨加工および電極蒸着によって生じる初期応力の大きさの違いにより、水晶発振器個々の中心周波数の変動感度が異なる関係上、大きな衝撃や振動を受けると中心周波数が大きく変動するような水晶発振器は、大きな衝撃を幾度も受ける宇宙機に搭載される電子機器に採用することができないという問題があった。
【０００４】
また、大きな衝撃や振動を受けた際に、中心周波数が大きく変動するのを阻止するために、水晶発振器の支持に堅牢な構造を採用しようとすると、その分だけコスト高となってしまい、打ち上げコストの低減化に寄与することができないという問題を有しており、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。
【０００５】
【発明の目的】
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、大きな衝撃や振動を受けたとしても、堅牢な構造を用いることなく、水晶発振器の中心周波数の変動感度を小さく抑えることができ、その結果、例えば、高衝撃環境に曝される宇宙機搭載用の電子機器に低コストの水晶発振器を採用することが可能になる水晶発振器の感度調整方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
例えば、上記した宇宙機に搭載される電子機器部品が受ける高衝撃は、ロケットおよび衛星に使用されている分離用爆発ボルトなどの火工品作動時に生じる衝撃である。
【０００７】
そこで、試料（発振周波数９８ＭＨｚの水晶発振器）に対して、宇宙機で規定されている代表的な火工品衝撃条件
１００〜１２００Ｈｚ  ８ｄＢ／ｏｃｔ
１２００〜４０００Ｈｚ  １０００Ｇ
３軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）共通   共振倍率  Ｑ＝１０
をシミュレートして、衝撃印加による周波数変動を引き起こす箇所を調べる試験を行った。
【０００８】
この際、上記高衝撃条件をシミュレートするための手段としては、図２に示すように、水晶発振器１をアルミニウムあるいはスチールの板厚３０ｍｍ程度の平板１１に固定し、アルミニウムのインパクトハンマ１２で平板１１に衝撃を与える方法を採用した。
【０００９】
［試験結果］
Ｘ軸：１ｋＨｚの恒常的変動あり
Ｙ軸：周波数変動なし
Ｚ軸：周波数変動なし
【００１０】
［試験評価］
図３に示すように、試験試料としての水晶発振器は、水晶振動子Ａとコルピッツ発振回路部Ｂとに大別することができ、これらのうちのどちらが衝撃印加による周波数変動を引き起こす箇所であるかを調べるために、水晶振動子Ａとコルピッツ発振回路部Ｂとを分離して発振回路に衝撃を加えたところ、コルピッツ発振回路部Ｂだけでは周波数は変動しなかった。この結果から、コルピッツ発振回路部Ｂ側には、周波数変動の直接的な要因がないことが判った。
【００１１】
上記の結果を踏まえて、本来であれば、水晶振動子Ａ単体での衝撃試験を実施して、変動要因を特定するべきであるが、水晶振動子Ａ単体での衝撃試験に際しては、配線の振動などの影響を受けることが必至であり、したがって、水晶振動子Ａの周波数変動を衝撃印加に合わせて直接計測するのは困難であることから、水晶振動子Ａとコルピッツ発振回路部Ｂとの関係を調査した。
【００１２】
図４に示すように、水晶発振器の発振現象を集中定数的に等価に表わすと、電圧Ｅおよび力Ｆは以下の式１に示すようになり、電磁気振動系と機械振動系とのトランスデューサとしての役割を有していることが判る。
【００１３】
【式１】
Ｅ＝Ｌ(ｄ２ｑ／ｄｔ２)＋Ｒ(ｄｑ／ｄｔ)＋ｑ／Ｃ
Ｆ＝Ｍ(ｄ２ｘ／ｄｔ２)＋Ｄ(ｄｘ／ｄｔ)＋ｘ・ｋ
但し、Ｌ：リアクタンス，Ｒ：抵抗，Ｃ：キャパシタンス，ｑ：電荷，Ｍ：質量，Ｄ：ダンパ，ｋ：ばね定数，ｘ：変位
【００１４】
上記の試験では、機械的な衝撃を水晶発振器に与えた結果として周波数の変動が観測され、さらに、電気的な定数を変化させることで衝撃による周波数の感度が変化する結果を得た。
【００１５】
ここで、水晶振動子を機械振動系として考えた場合、水晶振動子は、その構造および製造工程において慣性能率およびばね定数が決定され、基準周波数とそのばらつき、および、衝撃による周波数感度が決定されるものと考察するが、これを製造後に電気的に調整することで、その基準周波数に対するばらつきだけでなく、周波数の衝撃感度が調整できることが判った。
【００１６】
請求項１に記載した発明は、水晶振動子を備えた水晶発振器を有し、その水晶発振子に機械的衝撃力が加えられた際、その機械的衝撃力による水晶発振子の中心周波数の変動感度を調整する水晶発振器の感度調整方法であって、上記水晶発振子に加えられる機械的衝撃力をＦ、時間をｔ、水晶振動子の質量をＭ、水晶振動子のばね定数をｋ、変位をｘ、ダンピング定数をＤ、水晶振動子のドライブ電流をｉ、この水晶振動子のドライブ電流に依存する関数をζ(i)として表わされる次式の
Ｆ(t,i)＝Ｍ・ζ(i)(ｄ２ ｘ／ｄｔ２ )＋Ｄ・ζ(i)(ｄｘ／ｄｔ)＋ｘ・ｋ・ζ(i)に基づき、水晶発振子の中心周波数の変動感度が小さくなるように、その水晶発振子のドライブ電流を制限することを特徴としている。
【００１７】
請求項２に記載した発明は、水晶振動子を備えた水晶発振器を有し、その水晶発振子に機械的衝撃力が加えられた際、その機械的衝撃力による水晶発振子の中心周波数の変動感度を調整する水晶発振器の感度調整方法であって、上記水晶発振子に加えられる機械的衝撃力をＦ、時間をｔ、水晶振動子の質量をＭ、水晶振動子のばね定数をｋ、変位をｘ、ダンピング定数をＤ、水晶振動子のドライブ電流をｉ、この水晶振動子のドライブ電流に依存する関数をζ(i２ )として表わされる次式の
Ｆ(t+Δt)＝Ｍ・ζ(i２ )(ｄ２ ｘ／ｄｔ２ )＋Ｄ・ζ(i２ )(ｄｘ／ｄｔ)２ ＋ｘ・ｋ・ζ(i２ )に基づき、水晶発振子の中心周波数の変動感度が小さくなるように、その水晶発振子のドライブ電流を制限することを特徴としている。
【００１８】
【発明の作用】
本発明の請求項１に係わる水晶発振器の感度調整方法では、熱応力や機械振動による中心周波数の変動感度が大きい水晶発振器であったとしても、水晶振動子のドライブ電流を制限するだけで、中心周波数の変動感度が小さくなるので、特別な堅牢な構造を用いなくても、例えば、高衝撃環境に曝される宇宙機搭載用の電子機器に採用し得ることとなる。
【００１９】
また、本発明の請求項２に係わる水晶発振器の感度調整方法では、Ｆ(t+Δt)＝Ｍ・ζ(i２)(ｄ２ｘ／ｄｔ２)＋Ｄ・ζ(i２)(ｄｘ／ｄｔ)２＋ｘ・ｋ・ζ(i２) に基づいて、水晶振動子のドライブ電流を制限して中心周波数の変動感度を調整するようにしていることから、機械的衝撃力Fが抵抗の項である右辺第２項の(ｄｘ／ｄｔ)２に比例することとなって、振幅が大きくなるにつれて非線形効果が顕著になる。つまり、周波数は振幅の二乗に比例する、等価的には電流ｉの二乗に比例することとなり、中心周波数の変動感度の調整が緻密になされることとなる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明の請求項１および２に係わる水晶発振器の感度調整方法では、上記した構成としたから、熱応力や機械振動による中心周波数の変動感度が大きい低コストの水晶発振器を、例えば、大きな衝撃を受ける宇宙機に搭載される電子機器に用いることが可能になるという非常に優れた効果がもたらされる。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１は本発明に係わる水晶発振器の感度調整方法が採用される水晶発振器の等価回路を示している。
【００２３】
図１に示すように、この水晶発振器１は、ＡＴカットの水晶振動子２を備えており、水晶振動子２の外部電源ＡＦ側には可変抵抗Ｒが接続してある。この回路中、ＯＳＣは増幅部である。
【００２４】
この水晶発振器１の中心周波数の変動感度を調整するに際しては、水晶発振器１に機械的衝撃力が付与される状態において、この機械的衝撃力をF、時間をｔ、水晶振動子２の質量をM、水晶振動子２のばね定数をｋ、変位をｘ、ダンピング定数をD、水晶振動子２のドライブ電流をｉ、この水晶振動子２のドライブ電流ｉに依存する関数をζ(i)として表わされる式２に基づいて、水晶振動子２のドライブ電流ｉを制限して中心周波数の変動感度を調整する。
【００２５】
【式２】
Ｆ(t,i)＝Ｍ・ζ(i)(ｄ２ｘ／ｄｔ２)＋Ｄ・ζ(i)(ｄｘ／ｄｔ)＋ｘ・ｋ・ζ(i)
【００２６】
この水晶発振器の感度調整方法では、熱応力や機械振動による中心周波数の変動感度が大きい水晶発振器１であったとしても、水晶振動子２のドライブ電流ｉを制限すれば、中心周波数の変動感度を小さくすることができ、したがって、コストのかかる特別な堅牢な構造を採用しなくても、例えば、高衝撃環境に曝される宇宙機搭載用の電子機器に用い得ることとなる。
【００２７】
また、上記した実施例に係わる水晶発振器の感度調整方法において、Fが機械的衝撃力であることを考慮すれば、変数にΔtを加えて時間の関数とすることが望ましく、以下の式３に基づいて、水晶振動子２のドライブ電流ｉを制限して中心周波数の変動感度を調整することがより好ましい。
【００２８】
【式３】
Ｆ(t+Δt)＝Ｍ・ζ(i２)(ｄ２ｘ／ｄｔ２)＋Ｄ・ζ(i２)(ｄｘ／ｄｔ)２＋ｘ・ｋ・ζ(i２)
【００２９】
この式３を用いた水晶発振器の感度調整方法では、機械的衝撃力Fが抵抗の項である右辺第２項の(ｄｘ／ｄｔ)２に比例することから、振幅が大きくなるのに伴って、非線形効果が顕著になる。したがって、周波数が電流ｉの二乗に比例することとなって、中心周波数の変動感度の調整が緻密になされることとなる。
【００３０】
上記した実施例では、水晶発振器１が可変抵抗Ｒを有しているものとしたが、これに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係わる水晶発振器の感度調整方法が採用される水晶発振器の等価回路を示す回路説明図である。
【図２】宇宙機で規定されている代表的な火工品衝撃条件をシミュレートするための手段を示す試験形態説明図である。
【図３】試験試料としての水晶発振器の回路説明図である。
【図４】水晶発振器の発振現象を集中定数的に等価に表わした回路説明図である。
【符号の説明】
１  水晶発振器
２  水晶振動子
【図１】
0004169523.tif 000002
【図２】
0004169523.tif 000003
【図３】
0004169523.tif 000004
【図４】
0004169523.tif 000005