圧電発振器用オフセット回路、圧電発振器、及び圧電発振器の温度補償方法
【課題】圧電発振器用オフセット回路、圧電発振器、圧電発振器の温度補償方法を提供する。
【解決手段】圧電振動子１２の発振周波数の温度特性に対応した温度補償電圧６４により発振信号６６の発振周波数の温度補償を行う発振回路１４と、圧電振動子１２の温度に対応した検出電圧６２を出力する温度センサー１６と、温度補償電圧発生回路１８との間に介装され、発振周波数の温度の上昇時及び下降時の温度特性にそれぞれ対応して、検出電圧６２をオフセットすることにより温度補償電圧６４を温度方向にオフセットする第１のオフセット回路４６と、温度補償電圧発生回路１８と発振回路１４との間に介装され、発振周波数の温度の上昇時及び下降時の温度特性にそれぞれ対応して、温度補償電圧６４を電圧方向にオフセットする第２のオフセット回路５４とを有する。
【解決手段】圧電振動子１２の発振周波数の温度特性に対応した温度補償電圧６４により発振信号６６の発振周波数の温度補償を行う発振回路１４と、圧電振動子１２の温度に対応した検出電圧６２を出力する温度センサー１６と、温度補償電圧発生回路１８との間に介装され、発振周波数の温度の上昇時及び下降時の温度特性にそれぞれ対応して、検出電圧６２をオフセットすることにより温度補償電圧６４を温度方向にオフセットする第１のオフセット回路４６と、温度補償電圧発生回路１８と発振回路１４との間に介装され、発振周波数の温度の上昇時及び下降時の温度特性にそれぞれ対応して、温度補償電圧６４を電圧方向にオフセットする第２のオフセット回路５４とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動子を発振させる温度補償型発振器（ＴＣＸＯ）を構成し温度補償電圧を出力する圧電発振器オフセット回路及びこれを組み込んだ圧電発振器において、特に圧電振動子のヒステリシス特性に対応した温度補償電圧を出力可能な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から水晶振動子と増幅回路を組み合わせた水晶発振器において、温度に対する発振周波数の安定度が求められる場合には温度補償回路を付加した温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ）が用いられ、最近では携帯端末、携帯端末の基地局、ＧＰＳ受信機等広く利用されている。
【０００３】
図１０に従来技術に係る温度補償型発振器の回路図を示す。特許文献１においては、図１０に示すように、温度変化に対して１次関数的に出力が変化する温度検出回路１０２と、入力された温度検出回路１０２の出力に基づいて近似３次曲線電圧を出力する近似３次曲線発生回路１０４、近似３次曲線電圧の増幅率を調整して出力する第１のプログラマブルゲイン増幅器１０６、前記温度検回路１０２から分岐して接続され、入力された温度検出回路１０２の出力の増幅率を調整して出力する第２のプログラマブルゲイン増幅器１０８と、定電圧発生回路１１０と、入力された前記定電圧発生回路１１０からの出力の増幅率を調整して出力する第３のプログラマブルゲイン増幅器１１２と、前記第１、第２、第３のプログラマブルゲイン増幅器１０６、１０８、１１２を並列に接続し、前記第１、第２、第３のプログラマブルゲイン増幅器１０６、１０８、１１２からの出力を加算して温度補償電圧を出力する加算回路１１４と、入力された前記温度補償電圧により発振周波数の温度補償を行う電圧制御型水晶発振回路１１６（ＶＣＸＯ）と、を有する温度補償型発振器１００（ＴＣＸＯ）が開示されている。
【０００４】
ここで第１のプログラマブルゲイン増幅器１０６は３次の温度補償電圧、第２のプログラマブルゲイン増幅器１０８は１次の温度補償電圧、第３のプログラマブルゲイン増幅器１１２は０次の温度補償電圧（オフセット電圧）を出力しており、電圧制御型水晶発振回路１１６内のＡＴカット水晶振動子の温度補償を温度変化に対して連続的に行うことができ、温度変化に対して安定した周波数特性を実現できる。ところで上述の第１、第２、第３のプログラマブルゲイン増幅器１０６、１０８、１１２の増幅率は、製造検査工程時に取得するものであり、製造時のスループットの観点から、温度上昇時、または温度下降時のいずれか一方に温度変化した際に発振周波数数が基準周波数となるように調整されるのが一般的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０９−５５６２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、水晶振動子の周波数温度特性は、ヒステリシス特性を有している。ヒステリシス特性を有するとは、温度上昇時と下降時において水晶振動子の温度依存性が異なることを意味する。この原因は、温度変化に対する水晶振動子の歪み応力の変化が実際の温度変化に追従できないことや、発振器中の支持構造・接着剤・溶着合金・電極等の熱歪変化等によるもので、水晶振動子を小型化するほど顕著に現れる。
【０００７】
さらに、上述のＧＰＳ機能を搭載した携帯電話端末などの高精度の電子機器の分野においては、周波数偏差（Δｆ／ｆ０）の許容範囲が非常に狭く、例えば、−３０℃〜８５℃の温度範囲では周波数偏差（Δｆ／ｆ０）は±０．５ｐｐｍ以内であることが要求される。
【０００８】
そのため、従来のように、温度上昇時、または温度下降時のどちらか一方に温度変化した際の増幅率を取得する方法では、一方向の増幅率しか保存されていないため、増幅率を取得する際と逆方向に温度が変化した場合、システムとして周波数補正をかけてもヒステリシス特性に起因する発振周波数の差分についてはそのまま補正誤差として残ることになる。したがって、これが原因となって、測位にかかる時間が長くなり、結果的に測位誤差が生じたり、ＧＰＳ衛星との同調が不調となる虞がある、といった問題があった。
【０００９】
そこで本発明は、上記問題点に着目し、圧電振動子の発振周波数のヒステリシス特性の影響を小さくして、安定した発振周波数で発振可能な圧電発振器用オフセット回路、圧電発振器、及び圧電発振器の温度補償方法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】
【００１０】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。
［適用例１］圧電振動子を発振させて発振信号を出力し、入力される前記圧電振動子の発振周波数の温度特性に対応した温度補償電圧により前記発振信号の発振周波数の温度補償を行う発振回路と、前記圧電振動子の温度に対応した検出電圧を出力する温度検出手段と、前記発振回路と前記温度検出手段との間に介装され、前記温度補償電圧を前記検出電圧に対応して出力する温度補償電圧発生回路と、を有する圧電発振器に取り付けられた圧電発振器用オフセット回路であって、前記温度検出手段と前記温度補償電圧発生回路との間に介装され、前記発振周波数の温度の上昇時及び下降時の温度特性にそれぞれ対応して、前記検出電圧をオフセットすることにより前記温度補償電圧を温度方向にオフセットする第１のオフセット回路と、前記温度補償電圧発生回路と前記発振回路との間に介装され、前記発振周波数の温度の上昇時及び下降時の温度特性にそれぞれ対応して、前記温度補償電圧を電圧方向にオフセットする第２のオフセット回路と、を有することを特徴とする圧電発振器用オフセット回路。
【００１１】
上記構成により、第１のオフセット回路を介して入力された検出電圧に基づいて温度補償電圧発生回路から出力された温度補償電圧は、第１のオフセット回路における前記検出電圧のオフセット量だけ温度方向にシフトする。さらに第２のオフセット選択回路から出力された温度補償電圧は第２のオフセット回路における前記温度補償電圧のオフセット量だけ電圧方向にシフトする。よって、シフト後の温度補償電圧はシフト前の温度補償電圧と高温領域と低温領域とで互いに接し、高温領域と低温領域との間にシフト前の温度補償電圧とシフト後の温度補償電圧とに囲まれた領域が発生する。これにより圧電振動子のヒステリシス特性と極めて類似した温度特性を得ることができる。したがって一の温度特性を有する温度補償電圧を圧電振動子の温度の上昇時及び下降時の圧電振動子の発振周波数の温度特性に対応させてシフトさせ、圧電振動子のヒステリシス特性に対応した温度補償が可能な圧電発振器用オフセット回路となる。
【００１２】
［適用例２］前記検出電圧の上昇・下降を検出して前記圧電振動子の温度の上昇及び下降を判定する判定信号を出力する判定回路を有し、前記温度補償電圧発生回路は、前記温度補償電圧を前記圧電振動子の温度の上昇時及び下降時のいずれか一方の温度特性に対応して出力し、前記第１のオフセット回路は、前記一方の温度特性の反対の他方の温度特性に対応した前記検出電圧のオフセット量が設定され、前記判定信号に基づいて前記検出電圧を前記検出電圧のオフセット量だけオフセットし、前記第２のオフセット回路は、前記他方の温度特性に対応した前記温度補償電圧のオフセット量が設定され、前記判定信号に基づいて入力した前記温度補償電圧を前記温度補償電圧のオフセット量だけオフセットすることを特徴とする適用例１に記載の圧電発振器用オフセット回路。
【００１３】
上記構成において、圧電振動子の温度の上昇時及び下降時のいずれか一方においてオフセット量を一定量とし他方においてゼロに設定することができる。よって前記一方の温度特性に合わせて温度補償電圧発生回路に入力する温度係数を合わせることにより、温度補償を高精度に行うことができる。また前記一方の場合には第１のオフセット回路及び第２のオフセット選択回路を作動させずに検出電圧及び温度補償電圧を後段に通過させる構成が可能となる。したがって第１のオフセット回路及び第２のオフセット選択回路は圧電振動子の温度の上昇時及び下降時のいずれか一方のオフセット量を実現する構成が不要となり、構成を簡略化してコストを抑制することが可能な圧電発振器用オフセット回路となる。
【００１４】
［適用例３］前記検出電圧及び前記温度補償電圧に設定されたオフセット量は、前記圧電振動子の温度の上昇時の設定最低温度と設定最高温度、及び前記圧電振動子の温度の下降時の基準温度における温度補償電圧において、前記オフセット量によって生じる電圧方向の差分の総和が最小となるように、または前記圧電振動子の温度の下降時の設定最低温度と設定最高温度、及び前記圧電振動子の温度の上昇時の基準温度の温度補償電圧において、前記オフセット量によって生じる電圧方向の差分の総和が最小となるように、それぞれ算出されたことを特徴とする適用例２に記載の圧電発振器用オフセット回路。
【００１５】
上記構成により、設定最低温度を下限とし、設定最高温度を上限とした設定温度範囲において圧電振動子のヒステリシス特性に高精度に対応した温度補償電圧を出力することが可能な圧電発振器用オフセット回路となる。
【００１６】
［適用例４］適用例１乃至３のいずれか１例に記載の圧電発振器用オフセット回路を、前記圧電発振器に組みこんで形成したことを特徴とする圧電発振器。
【００１７】
上記構成により、一の温度特性を有する温度補償電圧を圧電振動子の温度の上昇時及び下降時の圧電振動子の発振周波数の温度特性に対応させてシフトさせ、圧電振動子のヒステリシス特性に対応した温度補償が可能な圧電発振器となる。
【００１８】
［適用例５］圧電振動子を発振させて発振信号を出力し、入力される前記圧電振動子の発振周波数の温度特性に対応した温度補償電圧により前記発振信号の発振周波数の温度補償を行う発振回路と、前記圧電振動子の温度に対応した検出電圧を出力する温度検出手段と、前記発振回路と前記温度手段との間に介装され、前記温度補償電圧を前記検出電圧に対応して出力する温度補償電圧発生回路と、を有する圧電発振器の温度補償方法であって、前記圧電振動子の温度の上昇時及び下降時の前記発振周波数の温度特性にそれぞれ対応して前記温度補償電圧を電圧方向にオフセットするとともに、前記圧電振動子の温度の上昇時及び下降時の前記発振周波数の温度特性にそれぞれ対応して前記検出電圧をオフセットすることにより前記温度補償電圧を温度方向にオフセットすることを特徴とする圧電発振器の温度補償方法。
【００１９】
上記方法により、温度補償電圧発生回路に入力される温度補償電圧は、前記検出電圧のオフセット量だけ温度方向にシフトする。さらに温度補償電圧発生回路から出力された温度補償電圧は前記温度補償電圧のオフセット量だけ電圧方向にシフトする。よって、シフト後の温度補償電圧はシフト前の温度補償電圧と高温領域と低温領域とで互いに接し、高温領域と低温領域との間にシフト前の温度補償電圧とシフト後の温度補償電圧とに囲まれた領域が発生する。これにより圧電振動子のヒステリシス特性と極めて類似した温度特性を得ることができる。したがって一の温度特性を有する温度補償電圧を圧電振動子の温度の上昇時及び下降時の圧電振動子の発振周波数の温度特性に対応させてシフトさせ、圧電振動子のヒステリシス特性に対応した温度補償が可能となる。
【００２０】
［適用例６］前記温度補償電圧発生回路は、前記検出電圧に基づいて前記圧電振動子の温度の上昇時及び下降時のいずれか一方の温度特性を有する電圧を前記発振回路に出力するとともに、前記検出電圧の上昇・下降を検出し前記圧電振動子の温度の上昇及び下降を判定する判定信号を出力し、前記温度補償電圧を、前記判定信号に基づいて前記一方の温度特性の反対の他方の温度特性に対応して設定された前記温度補償電圧のオフセット量だけオフセットし、前記検出電圧を、前記判定信号に基づいて前記他方の温度特性に対応して設定された前記検出電圧のオフセット量だけオフセットすることを特徴とする適用例５に記載の圧電発振器の温度補償方法。
【００２１】
上記方法において、圧電振動子の温度の上昇時及び下降時のいずれか一方においてオフセット量を一定量とし他方においてゼロに設定することになる。よって前記一方の温度特性に合わせた温度補償電圧発生回路に基づいて温度補償を高精度に行うことができる。
【００２２】
［適用例７］前記検出電圧及び前記温度補償電圧に設定されたオフセット量は、前記圧電振動子の温度の上昇時の設定最低温度と設定最高温度、及び前記圧電振動子の温度の下降時の基準温度における温度補償電圧において、前記オフセット量によって生じる電圧方向の差分の総和が最小となるように、または前記圧電振動子の温度の下降時の設定最低温度と設定最高温度、及び前記圧電振動子の温度の上昇時の基準温度における温度補償電圧において、前記オフセット量によって生じる電圧方向の差分の総和が最小となるように、それぞれ算出したことを特徴とする適用例６に記載の圧電発振器の温度補償方法。
【００２３】
上記方法により、設定最低温度を下限とし、設定最高温度を上限とした設定温度範囲において圧電振動子のヒステリシス特性に高精度に対応した温度補償電圧を出力することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本実施形態の温度補償回路の回路図である。
【図２】本実施形態の判定回路の回路図である。
【図３】本実施形態の第１のオフセット回路の回路図である。
【図４】本実施形態の第２のオフセット回路の回路図である。
【図５】本実施形態の温度補償回路の温度補償の概念を示し、図５（ａ）は圧電振動子の発振周波数の温度変化に対するヒステリシス特性を示す図、図５（ｂ）は、圧電振動子の発振周波数の温度上昇時の温度特性（ｆ１）と温度下降時の温度特性（ｆ２）の周波数方向の差分（ｆ１−ｆ２、ヒステリシス量）を示す図、図５（ｃ）は圧電振動子の発振周波数の温度上昇時の温度特性（ｆ１）と、前記温度特性について温度方向及び周波数方向に平行移動させた温度特性（ｆ１’）の図である。
【図６】温度補償電圧の温度方向のオフセット量及び電圧方向のオフセット量の算出工程のフロー図である。
【図７】本実施形態の温度補償回路の作用効果を示す図である。
【図８】本実施形態の第１のオフセット回路の変形例の回路図である。
【図９】本実施形態の第２のオフセット回路の変形例の回路図である。
【図１０】従来技術に係る温度補償型発振器の回路図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００２６】
図１に本実施形態に係る圧電発振器用オフセット回路を組み込んだ圧電発振器の回路図を示す。本実施形態に係る圧電発振器用オフセット回路は、圧電振動子１２を発振させて発振信号６６を出力し、入力される前記圧電振動子１２の発振周波数の温度特性に対応した温度補償電圧６４により前記発振信号６６の発振周波数の温度補償を行う発振回路１４と、前記圧電振動子１２の温度に対応した検出電圧６２を出力する温度検出手段（温度センサー１６）と、前記発振回路１４と前記温度検出手段（温度センサー１６）との間に介装され、前記温度補償電圧６４を前記検出電圧６２に対応して出力する温度補償電圧発生回路１８と、を有する圧電発振器１０に取り付けられた圧電発振器用オフセット回路であって、前記温度検出手段（温度センサー１６）と前記温度補償電圧発生回路１８との間に介装され、前記発振周波数の温度の上昇時及び下降時の温度特性にそれぞれ対応して、前記検出電圧６２をオフセットすることにより前記温度補償電圧６４を温度方向にオフセットする第１のオフセット回路４６と、前記温度補償電圧発生回路１８と前記発振回路１４との間に介装され、前記発振周波数の温度の上昇時及び下降時の温度特性にそれぞれ対応して、前記温度補償電圧６４を電圧方向にオフセットする第２のオフセット回路５４と、を有するものである。
【００２７】
また、前記温度補償電圧発生回路１８は、前記温度補償電圧６４を前記圧電振動子１２の温度の上昇時及び下降時のいずれか一方の温度特性に対応して出力し、前記圧電発振器用オフセット回路は、前記検出電圧の上昇・下降を検出し圧電振動子１２の温度の上昇及び下降を判定する判定信号６８を出力する判定回路３２を有し、前記第１のオフセット回路４６は、前記一方の温度特性の反対の他方の温度特性に対応した前記検出電圧６２のオフセット量が設定され、前記判定信号６８に基づいて前記検出電圧６２を前記検出電圧６２のオフセット量だけオフセットし、前記第２のオフセット回路５４は、前記他方の温度特性に対応した前記温度補償電圧６４のオフセット量が設定され、前記判定信号６８に基づいて入力した前記温度補償電圧６４を前記温度補償電圧６４のオフセット量だけオフセットするものである。
【００２８】
したがって本実施形態に係る圧電発振器の温度補償方法は、圧電振動子１２を発振させて発振信号６６を出力し、入力される前記圧電振動子１２の発振周波数の温度特性に対応した温度補償電圧６４により前記発振信号６６の発振周波数の温度補償を行う発振回路１４と、前記圧電振動子１２の温度に対応した検出電圧６２を出力する温度検出手段となる温度センサー１６との間に介装され、前記温度補償電圧６４を前記検出電圧６２に対応して出力する圧電発振器１０の温度補償方法であって、圧電振動子１２の温度の上昇時及び下降時の前記発振周波数の温度特性にそれぞれ対応して、前記温度補償電圧６４を電圧方向にオフセットするとともに、前記検出電圧６２をオフセットすることにより前記温度補償電圧６４を温度方向にオフセットするものである。
【００２９】
また、前記温度補償電圧発生回路１８は、前記検出電圧６２に基づいて前記圧電振動子１２の温度の上昇時及び下降時のいずれか一方の温度特性を有する電圧を前記発振回路１４に出力するとともに、前記検出電圧６２の上昇・下降を検出し前記圧電振動子１２の温度の上昇及び下降を判定する判定信号６８を出力し、前記温度補償電圧６４を、前記判定信号６８に基づいて前記一方の温度特性の反対の他方の温度特性に対応して設定された前記温度補償電圧６４のオフセット量だけオフセットし、前記検出電圧６２を、前記判定信号６８に基づいて前記他方の温度特性に対応して設定された前記検出電圧６２のオフセット量だけオフセットするものである。
【００３０】
図１に示すように圧電発振器１０においては、温度検出手段となる温度センサー１６、第１のオフセット回路４６、温度補償電圧発生回路１８、発振回路１４に接続する第２のオフセット回路５４の順に直列に接続されている。また判定回路３２は、入力側が温度センサー１６に接続され、出力側が第１のオフセット回路４６及び第２のオフセット回路５４に接続されている。
【００３１】
圧電振動子１２は、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等の圧電材料から形成され、水晶であれば周波数温度特性に優れるＡＴカット振動子が望ましい。このようなＡＴカット水晶振動子は、発振回路１４から交流電圧を受けて、厚みすべり振動により所定の発振周波数で発振することができる。このＡＴカットによる厚みすべり振動を用いた圧電振動子の発振周波数は、基準温度（２５℃近辺）を中心として３次曲線となる温度特性を有している。
【００３２】
発振回路１４は、圧電振動子１２を発振源とする例えばコルピッツ型の発振回路であるとともに、温度補償電圧６４を入力して圧電振動子１２の発振周波数の温度補償を行うことができる。
【００３３】
温度センサー１６は、ダイオード構造を有しており、順方向電流を流し、温度によって変化するダイオードの端子間電位であるアナログの検出電圧６２を第１のオフセット回路４６及び判定回路３２に出力するものである。ここで検出電圧６２は温度上昇とともに１次関数的に減少し、出力される検出電圧６２は測定される温度に対応したものとなっている。なお、温度センサー１６は圧電振動子１２に隣接して配置することが望ましい。これにより圧電振動子１２の温度を測定誤差を抑制して測定することができ、温度補償電圧６４の出力誤差を抑制することができる。
【００３４】
温度補償電圧発生回路１８は、４次電圧発生回路２０、３次電圧発生回路２２、２次電圧発生回路２４、１次電圧発生回路２６、０次電圧発生回路２８、加算回路３０により構成されている。
【００３５】
本実施形態のように圧電振動子１２がＡＴカット水晶振動子である場合、圧電振動子１２の発振周波数の温度特性Δｆ／ｆ０は以下の近似曲線より表わすことができる。
【数１】
【００３６】
ここでｆ０は基準温度（２５℃）における発振周波数（基準周波数）、Ｔ０は基準温度、Ａは４次の温度係数、Ｂは３次の温度係数、Ｃは２次の温度係数、Ｄは１次の温度係数、Ｅは０次の温度係数（オフセット係数）である。よってこのような温度特性を有する発振回路１４（圧電振動子１２）の温度補償を行うために、温度補償電圧６４（Ｖｈ、後述の理想補償電圧も同様）は、以下のような温度特性を有する必要がある。
【数２】
ここで、Ｖｃ４、Ｖｃ３、Ｖｃ２、Ｖｃ１、Ｖｃ０は、それぞれ数式１の−Ａ、−Ｂ、−Ｃ、−Ｄ、−Ｅに対応する。
【００３７】
よって４次電圧発生回路２０は付属する記憶領域（不図示）にＶｃ４の情報が記憶され、圧電振動子１２の温度、すなわち検出電圧６２（温度Ｔ）から基準温度における検出電圧（温度Ｔ０）との差分（Ｔ−Ｔ０）の４乗とＶｃ４の情報との積に対応する電圧を出力する。３次電圧発生回路２２は付属する記憶領域（不図示）にＶｃ３の情報が記憶され、前記差分の３乗とＶｃ３の情報の積に対応する電圧を出力する。２次電圧発生回路２４は付属する記憶領域（不図示）にＶｃ２の情報が記憶され、前記差分の２乗とＶｃ２の情報の積に対応する電圧を出力する。１次電圧発生回路２６は付属する記憶領域（不図示）にＶｃ１の情報が記憶され、前記差分とＶｃ１の情報の積に対応する電圧を出力する。０次電圧発生回路２８は付属する記憶領域（不図示）にＶｃ０の情報が記憶され、Ｖｃ０の情報に対応する電圧を出力する。さらにこれらの電圧は加算回路３０において加算され温度補償電圧６４が生成される。
【００３８】
こうして生成された温度補償電圧６４を発振回路１４に出力することにより、発振回路１４は使用温度範囲内の任意の温度において基準周波数とほぼ同一の発振周波数の発振信号６６を出力することができる。なお本実施形態において上述の各温度係数は、圧電振動子１２の温度を上昇させたときの圧電振動子１２の発振周波数の温度特性に対応するように算出されている。また、これらの温度係数は後述の工程により演算される。さらに、Ａ及びＣは、Ｂ、Ｄ、Ｅに比べて値が小さいので４次電圧発生回路２０及び２次電圧発生回路２４は省略してもよい。
【００３９】
図２に判定回路３２の回路図を示す。判定回路３２は、温度センサー１６から出力される検出電圧６２の上昇・下降から圧電振動子１２の温度の上昇・下降を判定するものである。判定回路３２は検出電圧６２の上昇時は圧電振動子１２の温度が下降すると判定し、これに伴う判定信号を出力する。逆に検出電圧６２の下降時には圧電振動子１２の温度が上昇する判定を行ない、これに伴う判定信号６８を出力する。
【００４０】
判定回路３２は、分周器３４、ＡＤコンバータ３６、遅延回路３８、ＤＡコンバータ４０、ヒステリシスコンパレータ４２、１ビットＤＡコンバータ４４から構成されている。
分周器３４は、例えば発振回路１４からの発振信号６６を分周して分周して得られるサンプリングクロックをＡＤコンバータ３６に出力するものである。
【００４１】
ＡＤコンバータ３６は、温度センサー１６から出力されるアナログの検出電圧６２をサンプリングクロックの周期ごとにデジタルデータに変換して遅延回路３８に出力するものである。
【００４２】
遅延回路３８にはデジタル化された検出電圧６２が入力される。そして遅延回路３８は、次回のサンプリングに係るデジタル化された検出電圧６２が入力されるまで、前回のサンプリングに係るデジタル化された検出電圧６２を過去の検出電圧６２ａとして保持するとともにＤＡコンバータ４０に出力することができる。
【００４３】
ヒステリシスコンパレータ４２は、ＤＡコンバータにおいてアナログ化されて出力された過去の検出電圧６２ａと現在の検出電圧６２とを比較し、その大小関係を低電圧Ｌ及び高電圧Ｈにより出力するものである。ヒステリシスコンパレータ４２は、プラス側の差動入力４２ａがＤＡコンバータ４０に抵抗Ｒ１を介して接続され、マイナス側の差動入力４２ｂが温度センサー１６に接続されている。またプラス側の差動入力４２ａは出力４２ｃに抵抗Ｒ２を介して接続され正帰還回路を形成している。よってマイナス側の差動入力４２ｂに接続された現在の検出電圧６２は過去の検出電圧６２ａに対してヒステリシス特性を有している。これによりヒステリシスコンパレータ４２の出力４２ｃが温度の微妙な揺らぎに対して敏感に反応しないようにしている。ここでＲ２＝２０×Ｒ１とすることにより現在の検出電圧６２は過去の検出電圧６２ａに対して電圧比で５％の不感帯を形成している。
【００４４】
ここで、圧電振動子１２の温度が下降する場合は、現在の検出電圧６２は過去の検出電圧６２ａよりも低くなるので出力はＨとなる。逆に圧電振動子１２の温度が上昇する場合は、現在の検出電圧６２は過去の検出電圧６２ａよりも高くなるので出力はＬとなる。
【００４５】
１ビットＤＡコンバータ４４は、ヒステリシスコンパレータ４２の出力４２ｃに接続され、出力４２ｃを後述の第１のオフセット回路４６、及び第２のオフセット回路５４で用いる電圧に変換するものである。本実施形態においては電圧Ｈを１．６Ｖに変換し、電圧Ｌを０．９Ｖに変換している。この２つの電圧が判定信号６８となり、１．６Ｖの場合が圧電振動子１２の温度の上昇を示し、０．９Ｖの場合が圧電振動子１２の温度の下降を示すことになる。
【００４６】
図３に第１のオフセット回路４６の回路図を示す。第１のオフセット回路４６は、判定信号６８と参照電圧（Ｖｒｅｆ：１．２Ｖ）との差動増幅を行なう差動増幅回路４８と、参照電圧側の差動増幅に伴う電流に対応して電流を発生させるカレントミラー回路５０と、検出電圧６２を基準としカレントミラー回路５０側の電圧を反転増幅することにより前記検出電圧６２をマイナス側にオフセットするオペアンプ５２と、を有する。
【００４７】
差動増幅回路は、定電流源４８ａと、ゲートが判定信号６８側に接続されたＮｃｈトランジスタ４８ｂと、ゲートが参照電圧側に接続されたＮｃｈトランジスタ４８ｃと、ゲート・ドレイン間をショートしダイオードとして作用するＰｃｈトランジスタ４８ｄ、４８ｅと、を有する。ここで、判定信号６８の電圧が１．６Ｖ、すなわち圧電振動子１２の温度が上昇している場合は、差動増幅回路５６において判定信号６８側に接続されたＮｃｈトランジスタ４８ｂが導通する。逆に判定信号６８の電圧が０．９Ｖの場合、すなわち圧電振動子１２の温度が下降している場合は、参照電圧側に接続されたＮｃｈトランジスタ４８ｃが導通する。よってカレントミラー回路５０は圧電振動子１２の温度が下降している場合にオペアンプ５２に電流５０ａを出力する。
【００４８】
オペアンプ５２は、反転増幅の増幅比を調整する可変抵抗５２ａと、可変抵抗５２ａの抵抗値の情報を記憶するメモリ５２ｂと、メモリ５２ｂに記憶された抵抗値の情報をデコードして可変抵抗５２ａの抵抗値を調整するデコーダ（不図示）とを有する。ここで圧電振動子１２の温度が上昇しているときは、カレントミラー回路５０から出力される電流５０ａはないので、オペアンプ５２はバッファ回路として機能する。このため、オペアンプ５２の出力（検出電圧６２ｂ）は入力される検出電圧６２と同じとなり、検出電圧６２ｂのオフセットは行なわれない。一方、圧電振動子１２の温度が下降しているときは、カレントミラー回路５０からの電流５０ａが可変抵抗５２ａに流れるのでオペアンプ５２の出力（検出電圧６２ｂ）には一定量の電圧降下が発生する。この電圧降下が検出電圧６２ｂに対するオフセット量となる。ここで検出電圧６２は電圧方向にオフセットされているが、検出電圧６２は１次関数的な温度特性を有しているため、検出電圧６２ｂは見かけ上温度方向にオフセットされることになる。よって、オフセット量は可変抵抗５２ａの抵抗値により決定されるが、圧電振動子１２の発振周波数のヒステリシス特性に対応して温度補償電圧６４を温度方向に後述のΔＴだけシフトさせる量に設計されている。
【００４９】
図４に第２のオフセット回路５４の回路図を示す。第２のオフセット回路５４は、判定信号６８と参照電圧（Ｖｒｅｆ：１．２Ｖ）との差動増幅を行なう差動増幅回路５６と、参照電圧側の差動増幅に伴う電流に対応して電流を発生させるカレントミラー回路５８と、温度補償電圧６４を基準としカレントミラー回路５８側の電圧を反転増幅することにより前記温度補償電圧６４をマイナス側にオフセットするオペアンプ６０と、を有する。
【００５０】
差動増幅回路５６は、定電流源５６ａと、ゲートが判定信号６８側に接続されたＮｃｈトランジスタ５６ｂと、ゲートが参照電圧側に接続されたＮｃｈトランジスタ５６ｃと、ゲート・ドレイン間をショートしダイオードとして作用するＰｃｈトランジスタ５６ｄ、５６ｅと、を有する。ここで、判定信号６８の電圧が１．６Ｖ、すなわち圧電振動子１２の温度が上昇している場合は、差動増幅回路５６において判定信号６８側に接続されたＮｃｈトランジスタ５６ｂが導通する。逆に判定信号６８の電圧が０．９Ｖの場合、すなわち圧電振動子１２の温度が下降している場合は、参照電圧側に接続されたＮｃｈトランジスタ５６ｃが導通する。よってカレントミラー回路５８は圧電振動子１２の温度が下降している場合にオペアンプ６０に電流５８ａを出力する。
【００５１】
オペアンプ６０は、反転増幅の増幅比を調整する可変抵抗６０ａと、可変抵抗６０ａの抵抗値の情報を記憶するメモリ６０ｂと、メモリ６０ｂに記憶された抵抗値の情報をデコードして可変抵抗６０ａの抵抗値を調整するデコーダ（不図示）とを有する。ここで圧電振動子１２の温度が上昇しているときは、カレントミラー回路５８から出力される電流５８ａはなく、オペアンプ６０はバッファ回路として機能する。このため、オペアンプ６０の出力（温度補償電圧６４ａ）は入力される温度補償電圧６４と同じとなり、温度補償電圧６４ａのオフセットは行なわれない。一方、圧電振動子１２の温度が下降しているときは、カレントミラー回路５８からの電流５８ａが可変抵抗６０ａに流れるので、オペアンプ６０の出力（温度補償電圧６４ａ）には一定量の電圧降下が発生する。この電圧降下が温度補償電圧６４ａに対するオフセット量となる。このオフセット量は可変抵抗６０ａの抵抗値により決定されるが、圧電振動子１２の発振周波数のヒステリシス特性に対応して温度補償電圧６４を電圧方向に後述のΔＶだけシフトさせる量に設計されている。
【００５２】
本実施形態において，温度補償電圧６４は圧電振動子１２の温度の上昇時の圧電振動子１２の発振周波数の温度特性に対応して生成される。よって第１のオフセット回路４６及び第２のオフセット回路５４では、温度上昇時のオフセット量はゼロ、すなわちオフセットを発生させない状態とし、温度下降時のオフセット量のみそれぞれ一定量与える構成となっている。
【００５３】
図５に本実施形態の温度補償回路による温度補償の概念を示す。図５（ａ）は圧電振動子の発振周波数の温度変化に対するヒステリシス特性を示す図である。図５（ｂ）は、圧電振動子の発振周波数の温度上昇時の温度特性（ｆ１）と温度下降時の温度特性（ｆ２）の周波数方向の差分（ｆ１−ｆ２、ヒステリシス量）を示す図である。図５（ｃ）は圧電振動子の発振周波数の温度上昇時の温度特性（ｆ１）と、前記温度特性について温度方向及び周波数方向に平行移動させた温度特性（ｆ１’）の図である。
【００５４】
本実施形態の圧電発振器１０における温度補償について説明する。図５（ａ）に示すように、ＡＴカット水晶振動子の発振周波数の温度上昇時の温度特性（ｆ１）と温度下降時の温度特性（ｆ２）が一致しないため、温度変化に対してヒステリシス特性を有している。このとき、図５（ｂ）に示すように圧電振動子の発振周波数の温度上昇時の温度特性（ｆ１）と温度下降時の温度特性（ｆ２）の周波数方向の差分（ｆ１−ｆ２、ヒステリシス量）をとると２次関数的な形状を有していることがわかる。この差分は基準温度で最も大きくなり、低温域及び高温域でほぼゼロとなる。一方本願発明者は、図５（ｃ）に示すように、温度上昇時の温度特性（ｆ１）を温度方向及び周波数方向に一定量平行移動させた温度特性（ｆ１’）を描くと図５（ａ）に類似したヒステリシス特性が得られることがわかった。さらに平行移動前の温度特性（ｆ１）と平行移動後の温度特性（ｆ１’）の周波数方向の差分をとると上述同様に２次関数的な形状を有していることが分かった。そこで本実施形態では温度上昇時の圧電振動子１２の発振周波数の温度特性に対応した温度補償電圧６４ａを温度上昇時の温度補償電圧として用いる。一方、温度下降時において圧電振動子１２の発振周波数の温度特性に近似的に対応するように、温度補償電圧６４ａを温度方向及び電圧方向にそれぞれオフセットさせて用いることとした。そこで、それぞれのオフセット量を以下の工程により求めることとした。
【００５５】
図６に温度補償電圧の温度方向のオフセット量及び電圧方向のオフセット量の算出工程のフロー図を示す。温度補償電圧６４ａの温度方向のオフセット量（ΔＴ）及び電圧方向のオフセット量（ΔＶ）の算出は以下のように行なう。
【００５６】
まず本実施形態の圧電発振器１０が接続される発振回路１４の温度補償電圧の入力端子（不図示）に所定の電圧Ｖｈを出力する電圧発生器（不図示）を接続する。そして発振回路１４を任意の温度設定が可能なチャンバー（不図示）に収めるとともに、発振回路１４により圧電振動子１２を発振させる。
【００５７】
そしてチャンバー（不図示）の温度、即ち圧電振動子１２の温度を上昇させつつ、基準周波数と同じ発振周波数で発振させるようにＶｈを調整し、これを理想補償電圧として測定する。本実施形態では第１温度点（設定最低温度、例：−２５℃）、第２温度点（例：０℃）、第３温度点（基準温度、例：＋２５℃）、第４温度点（例：＋５５℃）、第５温度点（設定最高温度、例：＋７５℃）の順に温度を上昇させ、各温度点において理想補償電圧Ｖｈを測定する。そしてＰＣ等において上述の数式２に各温度点とＶｈとの関係を入力して連立方程式を形成し、温度係数に対応する係数Ｖｃ４、Ｖｃ３、Ｖｃ２、Ｖｃ１、Ｖｃ０を算出する。
【００５８】
そして上述同様に、Ｖｃ４の情報を４次の温度係数の情報として４次電圧発生回路２０に付属の記憶領域（不図示）に記憶する。Ｖｃ３の情報を３次の温度係数の情報として３次電圧発生回路２２に付属の記憶領域（不図示）に記憶する。Ｖｃ２、の情報を２次の温度係数の情報として２次電圧発生回路２４に付属の記憶領域（不図示）に記憶する。Ｖｃ１の情報を１次の温度係数の情報として１次電圧発生回路２６に付属の記憶領域（不図示）に記憶する。Ｖｃ０の情報を０次の温度係数の情報として０次電圧発生回路２８に付属の記憶領域（不図示）に記憶する。
【００５９】
次に圧電振動子１２の温度を＋７５℃から＋２５℃（基準温度）に下降させ、温度上昇時の基準温度における基準周波数と同じ発振周波数となるようにＶｈを調整し、これを理想補償電圧として測定する。
【００６０】
ここで、数式２を、温度方向にΔＴ、電圧方向にΔＶだけ平行移動すると電圧Ｖｈ’は以下のようになる。
【数３】
【００６１】
ここで、温度上昇時の−２５℃で測定されたＶｈをＶｈ１、温度下降時の＋２５℃で測定されたＶｈをＶｈ２、温度上昇時の＋７５℃で測定されたＶｈをＶｈ３とし、Ｔ１＝−２５℃、Ｔ２＝＋２５℃、Ｔ３＝＋７５℃とする。そこでＰＣ等において、Ｖｈｋ（ｋ＝１、２、３）と数式３との差分、すなわち以下の式を演算して、数式４の値が最小となるようにΔＴ及びΔＶを算出する。
【数４】
【００６２】
数式４においては変数がΔＴとΔＶの２つが存在するので、ＰＣ等においてΔＶを固定した状態でΔＴをスイープ（変化）させて、ΔＶをある値に固定した場合の数式４の値の最小値とそのときのΔＴを算出する。そしてΔＶを一定の範囲（例えば−１５ｍＶ〜＋１５ｍＶ）で一定の刻み幅でスイープ（変化）させ、スイープごとに固定されたΔＶに対応する数式４の値の最小値とΔＴを順次求める。そしてΔＶの全範囲おいて算出された数式４の値が最小値群の中から最小となる数式４の値の最小値と、そのときのΔＶとΔＴを抽出する。このようにして算出されたΔＴを対応する抵抗値に換算した情報を第１のオフセット回路４６のメモリ５２ｂに記憶し、ΔＶに対応する抵抗値に換算した情報を第２のオフセット回路５４のメモリ６０ｂに記憶する。
【００６３】
図７に本実施形態の温度補償回路の作用効果を示す。図７（ａ）は圧電振動子の温度の上昇時の発振周波数の温度特性に対応した温度補償電圧を用いて温度補償を行った場合のグラフを示す。図７（ｂ）は圧電振動子の温度の上昇時の発振周波数の温度特性に対応した温度補償電圧を温度下降時に温度方向及び電圧方向にシフトさせて温度補償を行った場合のグラフを示す。
【００６４】
上記構成に係る圧電発振器１０の動作について説明する。図５（ａ）に示すように、圧電振動子１２の発振周波数は温度上昇時及び温度下降時において同一の温度特性を有さずヒステリシス特性を有している。よって図７（ａ）に示すように、温度補償電圧６４を圧電振動子１２の温度の上昇時の発振周波数の温度特性に対応して生成した場合、圧電振動子１２の温度を上昇させたときの温度補償は良好に行われている。しかし逆に圧電振動子１２の温度を下降させたときの温度補償は良好に行われず、使用温度領域において５００ｐｐｂ程度の周波数偏差が発生する。本実施形態が想定するＧＰＳ機能を有する機器にこのような周波数偏差が生じると、従来技術で述べたように測位性能に悪影響を及ぼすことになる。
【００６５】
一方、図７（ｂ）に示すように、本実施形態の圧電発振器１０においては、温度補償電圧６４（温度補償電圧６４ａ）は圧電振動子１２の発振周波数の温度上昇時の温度特性の逆特性となる近似曲線（数式２）による温度特性を有するため、発振回路１４から出力される発振信号の温度補償を良好に行うことができる。さらに温度下降時には圧電振動子１２の発振周波数の温度下降時の温度特性に対応する温度補償電圧を生成するため、温度補償電圧６４を温度方向にΔＴ、電圧方向にΔＶだけシフトさせる。これにより圧電振動子１２の発振周波数の温度下降時の温度特性に対応する温度補償電圧６４ａを近似的に生成している。そして近似的に生成された温度補償電圧６４ａにより、圧電振動子１２の温度が下降時でも温度補償を良好に行うことができる。
【００６６】
本実施形態においては温度補償電圧６４を圧電振動子１２の発振周波数の上昇時の温度特性に対応して生成しているが、逆に下降時の温度特性に対応して生成することが可能である。まず温度補償電圧を求めるため、上述同様に圧電振動子１２の温度を＋７５℃、＋５５℃、＋２５℃、０℃、−２５℃の順に温度を下げていく。そして各温度において圧電振動子１２の発振周波数が、温度下降時の基準温度における圧電振動子１２の基準周波数となるように数式２のＶｈを調整し、これを理想補償電圧として測定する。
【００６７】
次に上述同様に数式２におけるＶｃ４、Ｖｃ３、Ｖｃ２、Ｖｃ１、Ｖｃ０の値を算出し、各値を対応する温度補償電圧発生器１８に付属する記憶領域（不図示）に記憶させ、温度補償電圧６５が出力可能な状態とする。そして圧電振動子１２の温度を＋２５℃に上昇させ、この温度において圧電振動子１２の発振周波数が、温度下降時の基準温度における圧電振動子１２の基準周波数となるように数式２のＶｈを調整し、これを理想補償電圧として測定する。そして温度下降時の−２５℃、温度上昇時の＋２５℃、温度下降時の＋７５℃におけるＶｈを用いて、上述同様に数式４の値が最小となるようにΔＴとΔＶを算出する。このようにΔＴとΔＶを算出した後、ΔＴに対応する抵抗値の情報を後述の変形例となる第１のオフセット回路４６のメモリ５２ｂに記憶し、ΔＶに対応する抵抗値の情報を後述の変形例となる第２のオフセット回路５４のメモリ６０ｂに記憶する。
【００６８】
図８に第１のオフセット回路の変形例を示す。第１のオフセット回路７０は、判定信号６８と参照電圧（Ｖｒｅｆ：１．２Ｖ）との差動増幅を行なう差動増幅回路７２と、参照電圧側の差動増幅に伴う電流に対応して電流を発生させる第１のカレントミラー回路７４と、第１のカレントミラー回路７４から出力された電流に対応した引き込み電流７６ａを発生させる第２のカレントミラー回路７６と、検出電圧６２を基準とし前記引き込み電流７６ａに基づいて第２のカレントミラー回路７６側の電圧を反転増幅することにより前記検出電圧６２をプラス側にオフセットするオペアンプ７８と、を有する。
【００６９】
差動増幅回路７２は、定電流源７２ａと、ゲートが判定信号６８側に接続されたＮｃｈトランジスタ７２ｂと、ゲートが参照電圧側に接続されたＮｃｈトランジスタ７２ｃと、ゲート・ドレイン間をショートしダイオードとして作用するＰｃｈトランジスタ７２ｃ、７２ｄと、を有する。ここで、判定信号６８の電圧が０．９Ｖ、すなわち圧電振動子１２の温度が下降している場合は、差動増幅回路７２において参照電圧側に接続されたＮｃｈトランジスタ７２ｃが導通する。逆に判定信号６８の電圧が１．６Ｖの場合、すなわち圧電振動子１２の温度が上昇している場合は、判定信号６８側に接続されたＮｃｈトランジスタ７２ｂが導通する。よって第１のカレントミラー回路７４は圧電振動子１２の温度が下降している場合には第２のカレントミラー回路７６に電流を出力する。このとき第２のカレントミラー回路７６は第１のカレントミラー回路７４から出力された電流に対応して引き込み電流７６ａを発生させる。
【００７０】
オペアンプ７８は、反転増幅の増幅比を調整する可変抵抗７８ａと、可変抵抗７８ａの抵抗値の情報を記憶するメモリ７８ｂと、メモリ７８ｂに記憶された抵抗値の情報をデコードして可変抵抗７８ａの抵抗値を調整するデコーダ（不図示）とを有する。ここで圧電振動子１２の温度が下降しているときは、第２のカレントミラー回路７６への引き込み電流７６ａはないので、オペアンプ７８はバッファ回路として機能する。このためオペアンプ７８の出力（検出電圧６２ａ）は、入力される検出電圧６２と同じとなり、検出電圧６２ａのオフセットは行なわれない。一方、圧電振動子１２の温度が下降しているときは、第２のカレントミラー回路７６への引き込み電流７６ａが可変抵抗７８ａを介してオペアンプ７８の出力から流れる。このためオペアンプ７８の出力（検出電圧６２ｃ）には一定量の電圧上昇が発生する。この電圧上昇が検出電圧６２ｃに対するオフセット量となる。このオフセット量は可変抵抗７８ａの抵抗値により決定されるが、圧電振動子１２の発振周波数のヒステリシス特性に対応して温度補償電圧６５を温度方向に上述のΔＴだけシフトさせる量に設計されている。
【００７１】
図９に第２のオフセット回路の変形例を示す。第２のオフセット回路８０は、判定信号６８と参照電圧（Ｖｒｅｆ：１．２Ｖ）との差動増幅を行なう差動増幅回路８２と、参照電圧側の差動増幅に伴う電流に対応して電流を発生させる第１のカレントミラー回路８４と、第１のカレントミラー回路８４から出力された電流に対応した引き込み電流８６ａを発生させる第２のカレントミラー回路８６と、温度補償電圧６５を基準とし前記引き込み電流８６ａに基づいて第２のカレントミラー回路８６側の電圧を反転増幅することにより前記温度補償電圧６５をプラス側にオフセットするオペアンプ８８と、を有する。
【００７２】
差動増幅回路８２は、定電流源８２ａと、ゲートが判定信号側に接続されたＮｃｈトランジスタ８２ｂと、ゲートが参照電圧側に接続されたＮｃｈトランジスタ８２ｃと、ゲート・ドレイン間をショートしダイオードとして作用するＰｃｈトランジスタ８２ｄ、８２ｅと、を有する。ここで、判定信号６８の電圧が０．９Ｖ、すなわち圧電振動子１２の温度が下降している場合は、差動増幅回路８２において参照電圧側に接続されたＮｃｈトランジスタ８２ｃが導通する。逆に判定信号６８の電圧が１．６Ｖの場合、すなわち圧電振動子１２の温度が上昇している場合は、判定信号６８側に接続されたＮｃｈトランジスタ８２ｂが導通する。よって第１のカレントミラー回路８４は圧電振動子１２の温度が下降している場合に第２のカレントミラー回路８６に電流を出力する。このとき第２のカレントミラー回路８６は第１のカレントミラー回路８４から出力された電流に対応して引き込み電流８６ａを発生させる。
【００７３】
オペアンプ８８は、反転増幅の増幅比を調整する可変抵抗８８ａと、可変抵抗８８ａの抵抗値の情報を記憶するメモリ８８ｂと、メモリ８８ｂに記憶された抵抗値の情報をデコードして可変抵抗８８ａの抵抗値を調整するデコーダ（不図示）とを有する。ここで圧電振動子１２の温度が下降しているときは、第２のカレントミラー回路８６に出力する引き込み電流８６ａはないので、オペアンプ８８はバッファ回路として機能する。このためオペアンプ８８の出力（温度補償電圧６５ａ）は、入力される温度補償電圧６５と同じとなり、温度補償電圧６５ａのオフセットは行なわれない。一方、圧電振動子１２の温度が上昇しているときは、第２のカレントミラー回路８６への引き込み電流８６ａが可変抵抗８８ａを介してオペアンプ８８の出力から流れる。このためオペアンプ８８の出力（温度補償電圧６５ａ）には一定量の電圧上昇が発生する。この電圧上昇が温度補償電圧６５ａに対するオフセット量となる。このオフセット量は可変抵抗８８ａの抵抗値により決定されるが、圧電振動子１２の発振周波数のヒステリシス特性に対応して温度補償電圧６５を電圧方向に上述のΔＶだけシフトさせる量に設計されている。
【００７４】
本実施形態においては、温度補償電圧６４、６５が、圧電振動子１２の温度の上昇時または下降時の発振周波数の温度特性に対応して生成されている。しかし例えば上昇時の温度特性及び下降時の温度特性の中間値となる温度特性に対応した温度補償電圧を生成し、上昇時のΔＴ、ΔＶ、下降時のΔＴ、ΔＶを算出する。そして温度上昇時及び温度下降のオフセット量を可変可能な第１、第２のオフセット回路（不図示）のメモリ（不図示）にそれぞれ記憶し、温度の上昇及び下降に対応して検出電圧６２及び温度補償電圧のオフセット量を調整するようにしてもよい。
【００７５】
また数式４に基づいて演算において、ＰＣ等においてΔＴを固定した状態でΔＶを変化させて、ΔＴをある値に固定した場合の数式４の値の最小値とそのときのΔＶを算出する。そしてΔＴを一定の範囲で一定の刻み幅でスイープ（変化）させ、スイープごとに固定されたΔＴに対応する数式４の値の最小値とΔＶを順次求める。そしてΔＴの全範囲おいて算出された数式４の値が最小値群の中から最小となる数式４の値の最小値と、そのときのΔＶとΔＴを抽出してもよい。
【００７６】
さらに、本実施形態の圧電発振器用オフセット回路を、上述の圧電発振器に組み込むことにより、圧電振動子１２のヒステリシス特性に対応した温度補償が可能な圧電発振器１０を形成できることは言うまでもない。
【００７７】
以上述べたように本実施形態に係る圧電発振器用オフセット回路、圧電発振器の温度補償方法によれば、第１には、第１のオフセット回路４６、７０を介して入力された検出電圧６２に基づいて温度補償電圧発生回路１８から出力された温度補償電圧６４、６５は、第１のオフセット回路４６における前記検出電圧６２のオフセット量だけ温度方向にシフトする。さらに第２のオフセット選択回路５４、８０から出力された温度補償電圧６４ａ、６５ａは第２のオフセット回路５４、８０における前記温度補償電圧６４、６５のオフセット量だけ電圧方向にシフトする。よって、シフト後の温度補償電圧６４ａ、６５ａはシフト前の温度補償電圧６４、６５と高温領域と低温領域とで互いに接し、高温領域と低温領域との間にシフト前の温度補償電圧６４、６５とシフト後の温度補償電圧６４ａ、６５ａとに囲まれた領域が発生する。このため圧電振動子１２のヒステリシス特性と極めて類似した温度特性を得ることができる。したがって一の温度特性を有する温度補償電圧６４、６５を圧電振動子１２の温度の上昇時及び下降時の圧電振動子１２の発振周波数の温度特性に対応させてシフトさせ、圧電振動子１２のヒステリシス特性に対応した温度補償が可能となる。
【００７８】
第２には、圧電振動子１２の温度の上昇時及び下降時のいずれか一方においてオフセット量を一定量とし他方においてゼロに設定することができる。よって前記一方の温度特性に合わせて温度補償電圧発生回路１８に入力する温度係数を合わせることにより、温度補償を高精度に行うことができる。また前記一方の場合には第１のオフセット回路４６、７０及び第２のオフセット選択回路５４、８０を作動させずに検出電圧６２及び温度補償電圧６４、６５を後段に通過させる構成が可能となる。したがって第１のオフセット回路４６、７０及び第２のオフセット選択回路５４、８０は圧電振動子１２の温度の上昇時及び下降時のいずれか一方のオフセット量を実現する構成が不要となり、構成を簡略化してコストを抑制することが可能となる。
【００７９】
第３には、前記検出電圧６２及び前記温度補償電圧６４にそれぞれ設定されたオフセット量（ΔＴ、ΔＶ）は、圧電振動子１２の温度の上昇時の設定最低温度と設定最高温度、及び圧電振動子１２の温度の下降時の基準温度における温度補償電圧６４において、前記オフセット量によって生じる電圧方向の差分の総和が最小となるように、または圧電振動子１２の温度の下降時の設定最低温度と設定最高温度、及び圧電振動子１２の温度の上昇時の基準温度の温度補償電圧６５において、前記オフセット量によって生じる電圧方向の差分の総和が最小となるように、それぞれ算出したことにより、設定最低温度を下限とし、設定最高温度を上限とした設定温度範囲において圧電振動子１２のヒステリシス特性に高精度に対応した温度補償電圧６４、６５を出力することが可能な圧電発振器１０となる。
【００８０】
また本実施形態に係る圧電発振器によれば、一の温度特性を有する温度補償電圧を圧電振動子１２の温度の上昇時及び下降時の圧電振動子の発振周波数の温度特性に対応させてシフトさせ、圧電振動子のヒステリシス特性に対応した温度補償が可能な圧電発振器となる。
【符号の説明】
【００８１】
１０………温度補償回路、１２………圧電振動子、１４………発振回路、１６………温度センサー、１８………温度補償電圧発生回路、２０………４次電圧発生回路、２２………３次電圧発生回路、２４………２次電圧発生回路、２６………１次電圧発生回路、２８………０次電圧発生回路、３０………加算回路、３２………判定回路、３４………分周器、３６………ＡＤコンバータ、３８………遅延回路、４０………ＤＡコンバータ、４２………ヒステリシスコンパレータ、４２ａ………差動入力、４２ｂ………差動入力、４２ｃ………出力、４４………１ビットＤＡコンバータ、４６………第１のオフセット回路、４８………差動増幅回路、４８ａ………定電流源、４８ｂ………Ｎｃｈトランジスタ、４８ｃ………Ｎｃｈトランジスタ、４８ｄ………Ｐｃｈトランジスタ、４８ｅ………Ｐｃｈトランジスタ、５０………カレントミラー回路、５０ａ………電流、５２………オペアンプ、５２ａ………可変抵抗、５２ｂ………メモリ、５４………第２のオフセット回路、５６………差動増幅回路、５６ａ………定電流源、５６ｂ………Ｎｃｈトランジスタ、５６ｃ………Ｎｃｈトランジスタ、５６ｄ………Ｐｃｈトランジスタ、５６ｅ………Ｐｃｈトランジスタ、５８………カレントミラー回路、５８ａ………電流、６０………オペアンプ、６０ａ………可変抵抗、６０ｂ………メモリ、６２………検出電圧、６２ａ………検出電圧、６２ｂ………検出電圧、６４………温度補償電圧、６４ａ………温度補償電圧、６５………温度補償電圧、６５ａ………温度補償電圧、６６………発振信号、６８………判定信号、７０………第１のオフセット回路、７２………差動増幅回路、７２ａ………定電流源、
７２ｂ………Ｎｃｈトランジスタ、７２ｃ………Ｎｃｈトランジスタ、７２ｄ………Ｐｃｈトランジスタ、７２ｅ………Ｐｃｈトランジスタ７４………第１のカレントミラー回路、７６………第２のカレントミラー回路、７６ａ………引き込み電流、７８………オペアンプ、７８ａ………可変抵抗、７８ｂ………メモリ、８０………第２のオフセット回路、８２………差動増幅回路、８４………第１のカレントミラー回路、８６………第２のカレントミラー回路、８６ａ………引き込み電流、８８………オペアンプ、８８ａ………可変抵抗、８８ｂ………メモリ、１００………温度補償型発振器、１０２………温度検出回路、１０４………近似３次曲線発生回路、１０６………第１のプログラマブルゲイン増幅器、１０８………第２のプログラマブルゲイン増幅器、１１０………定電圧発生回路、１１２………第３のプログラマブルゲイン増幅器、１１４………加算回路、１１６………電圧制御型水晶発振回路。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動子を発振させる温度補償型発振器（ＴＣＸＯ）を構成し温度補償電圧を出力する圧電発振器オフセット回路及びこれを組み込んだ圧電発振器において、特に圧電振動子のヒステリシス特性に対応した温度補償電圧を出力可能な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から水晶振動子と増幅回路を組み合わせた水晶発振器において、温度に対する発振周波数の安定度が求められる場合には温度補償回路を付加した温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ）が用いられ、最近では携帯端末、携帯端末の基地局、ＧＰＳ受信機等広く利用されている。
【０００３】
図１０に従来技術に係る温度補償型発振器の回路図を示す。特許文献１においては、図１０に示すように、温度変化に対して１次関数的に出力が変化する温度検出回路１０２と、入力された温度検出回路１０２の出力に基づいて近似３次曲線電圧を出力する近似３次曲線発生回路１０４、近似３次曲線電圧の増幅率を調整して出力する第１のプログラマブルゲイン増幅器１０６、前記温度検回路１０２から分岐して接続され、入力された温度検出回路１０２の出力の増幅率を調整して出力する第２のプログラマブルゲイン増幅器１０８と、定電圧発生回路１１０と、入力された前記定電圧発生回路１１０からの出力の増幅率を調整して出力する第３のプログラマブルゲイン増幅器１１２と、前記第１、第２、第３のプログラマブルゲイン増幅器１０６、１０８、１１２を並列に接続し、前記第１、第２、第３のプログラマブルゲイン増幅器１０６、１０８、１１２からの出力を加算して温度補償電圧を出力する加算回路１１４と、入力された前記温度補償電圧により発振周波数の温度補償を行う電圧制御型水晶発振回路１１６（ＶＣＸＯ）と、を有する温度補償型発振器１００（ＴＣＸＯ）が開示されている。
【０００４】
ここで第１のプログラマブルゲイン増幅器１０６は３次の温度補償電圧、第２のプログラマブルゲイン増幅器１０８は１次の温度補償電圧、第３のプログラマブルゲイン増幅器１１２は０次の温度補償電圧（オフセット電圧）を出力しており、電圧制御型水晶発振回路１１６内のＡＴカット水晶振動子の温度補償を温度変化に対して連続的に行うことができ、温度変化に対して安定した周波数特性を実現できる。ところで上述の第１、第２、第３のプログラマブルゲイン増幅器１０６、１０８、１１２の増幅率は、製造検査工程時に取得するものであり、製造時のスループットの観点から、温度上昇時、または温度下降時のいずれか一方に温度変化した際に発振周波数数が基準周波数となるように調整されるのが一般的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０９−５５６２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、水晶振動子の周波数温度特性は、ヒステリシス特性を有している。ヒステリシス特性を有するとは、温度上昇時と下降時において水晶振動子の温度依存性が異なることを意味する。この原因は、温度変化に対する水晶振動子の歪み応力の変化が実際の温度変化に追従できないことや、発振器中の支持構造・接着剤・溶着合金・電極等の熱歪変化等によるもので、水晶振動子を小型化するほど顕著に現れる。
【０００７】
さらに、上述のＧＰＳ機能を搭載した携帯電話端末などの高精度の電子機器の分野においては、周波数偏差（Δｆ／ｆ０）の許容範囲が非常に狭く、例えば、−３０℃〜８５℃の温度範囲では周波数偏差（Δｆ／ｆ０）は±０．５ｐｐｍ以内であることが要求される。
【０００８】
そのため、従来のように、温度上昇時、または温度下降時のどちらか一方に温度変化した際の増幅率を取得する方法では、一方向の増幅率しか保存されていないため、増幅率を取得する際と逆方向に温度が変化した場合、システムとして周波数補正をかけてもヒステリシス特性に起因する発振周波数の差分についてはそのまま補正誤差として残ることになる。したがって、これが原因となって、測位にかかる時間が長くなり、結果的に測位誤差が生じたり、ＧＰＳ衛星との同調が不調となる虞がある、といった問題があった。
【０００９】
そこで本発明は、上記問題点に着目し、圧電振動子の発振周波数のヒステリシス特性の影響を小さくして、安定した発振周波数で発振可能な圧電発振器用オフセット回路、圧電発振器、及び圧電発振器の温度補償方法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】
【００１０】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。
［適用例１］圧電振動子を発振させて発振信号を出力し、入力される前記圧電振動子の発振周波数の温度特性に対応した温度補償電圧により前記発振信号の発振周波数の温度補償を行う発振回路と、前記圧電振動子の温度に対応した検出電圧を出力する温度検出手段と、前記発振回路と前記温度検出手段との間に介装され、前記温度補償電圧を前記検出電圧に対応して出力する温度補償電圧発生回路と、を有する圧電発振器に取り付けられた圧電発振器用オフセット回路であって、前記温度検出手段と前記温度補償電圧発生回路との間に介装され、前記発振周波数の温度の上昇時及び下降時の温度特性にそれぞれ対応して、前記検出電圧をオフセットすることにより前記温度補償電圧を温度方向にオフセットする第１のオフセット回路と、前記温度補償電圧発生回路と前記発振回路との間に介装され、前記発振周波数の温度の上昇時及び下降時の温度特性にそれぞれ対応して、前記温度補償電圧を電圧方向にオフセットする第２のオフセット回路と、を有することを特徴とする圧電発振器用オフセット回路。
【００１１】
上記構成により、第１のオフセット回路を介して入力された検出電圧に基づいて温度補償電圧発生回路から出力された温度補償電圧は、第１のオフセット回路における前記検出電圧のオフセット量だけ温度方向にシフトする。さらに第２のオフセット選択回路から出力された温度補償電圧は第２のオフセット回路における前記温度補償電圧のオフセット量だけ電圧方向にシフトする。よって、シフト後の温度補償電圧はシフト前の温度補償電圧と高温領域と低温領域とで互いに接し、高温領域と低温領域との間にシフト前の温度補償電圧とシフト後の温度補償電圧とに囲まれた領域が発生する。これにより圧電振動子のヒステリシス特性と極めて類似した温度特性を得ることができる。したがって一の温度特性を有する温度補償電圧を圧電振動子の温度の上昇時及び下降時の圧電振動子の発振周波数の温度特性に対応させてシフトさせ、圧電振動子のヒステリシス特性に対応した温度補償が可能な圧電発振器用オフセット回路となる。
【００１２】
［適用例２］前記検出電圧の上昇・下降を検出して前記圧電振動子の温度の上昇及び下降を判定する判定信号を出力する判定回路を有し、前記温度補償電圧発生回路は、前記温度補償電圧を前記圧電振動子の温度の上昇時及び下降時のいずれか一方の温度特性に対応して出力し、前記第１のオフセット回路は、前記一方の温度特性の反対の他方の温度特性に対応した前記検出電圧のオフセット量が設定され、前記判定信号に基づいて前記検出電圧を前記検出電圧のオフセット量だけオフセットし、前記第２のオフセット回路は、前記他方の温度特性に対応した前記温度補償電圧のオフセット量が設定され、前記判定信号に基づいて入力した前記温度補償電圧を前記温度補償電圧のオフセット量だけオフセットすることを特徴とする適用例１に記載の圧電発振器用オフセット回路。
【００１３】
上記構成において、圧電振動子の温度の上昇時及び下降時のいずれか一方においてオフセット量を一定量とし他方においてゼロに設定することができる。よって前記一方の温度特性に合わせて温度補償電圧発生回路に入力する温度係数を合わせることにより、温度補償を高精度に行うことができる。また前記一方の場合には第１のオフセット回路及び第２のオフセット選択回路を作動させずに検出電圧及び温度補償電圧を後段に通過させる構成が可能となる。したがって第１のオフセット回路及び第２のオフセット選択回路は圧電振動子の温度の上昇時及び下降時のいずれか一方のオフセット量を実現する構成が不要となり、構成を簡略化してコストを抑制することが可能な圧電発振器用オフセット回路となる。
【００１４】
［適用例３］前記検出電圧及び前記温度補償電圧に設定されたオフセット量は、前記圧電振動子の温度の上昇時の設定最低温度と設定最高温度、及び前記圧電振動子の温度の下降時の基準温度における温度補償電圧において、前記オフセット量によって生じる電圧方向の差分の総和が最小となるように、または前記圧電振動子の温度の下降時の設定最低温度と設定最高温度、及び前記圧電振動子の温度の上昇時の基準温度の温度補償電圧において、前記オフセット量によって生じる電圧方向の差分の総和が最小となるように、それぞれ算出されたことを特徴とする適用例２に記載の圧電発振器用オフセット回路。
【００１５】
上記構成により、設定最低温度を下限とし、設定最高温度を上限とした設定温度範囲において圧電振動子のヒステリシス特性に高精度に対応した温度補償電圧を出力することが可能な圧電発振器用オフセット回路となる。
【００１６】
［適用例４］適用例１乃至３のいずれか１例に記載の圧電発振器用オフセット回路を、前記圧電発振器に組みこんで形成したことを特徴とする圧電発振器。
【００１７】
上記構成により、一の温度特性を有する温度補償電圧を圧電振動子の温度の上昇時及び下降時の圧電振動子の発振周波数の温度特性に対応させてシフトさせ、圧電振動子のヒステリシス特性に対応した温度補償が可能な圧電発振器となる。
【００１８】
［適用例５］圧電振動子を発振させて発振信号を出力し、入力される前記圧電振動子の発振周波数の温度特性に対応した温度補償電圧により前記発振信号の発振周波数の温度補償を行う発振回路と、前記圧電振動子の温度に対応した検出電圧を出力する温度検出手段と、前記発振回路と前記温度手段との間に介装され、前記温度補償電圧を前記検出電圧に対応して出力する温度補償電圧発生回路と、を有する圧電発振器の温度補償方法であって、前記圧電振動子の温度の上昇時及び下降時の前記発振周波数の温度特性にそれぞれ対応して前記温度補償電圧を電圧方向にオフセットするとともに、前記圧電振動子の温度の上昇時及び下降時の前記発振周波数の温度特性にそれぞれ対応して前記検出電圧をオフセットすることにより前記温度補償電圧を温度方向にオフセットすることを特徴とする圧電発振器の温度補償方法。
【００１９】
上記方法により、温度補償電圧発生回路に入力される温度補償電圧は、前記検出電圧のオフセット量だけ温度方向にシフトする。さらに温度補償電圧発生回路から出力された温度補償電圧は前記温度補償電圧のオフセット量だけ電圧方向にシフトする。よって、シフト後の温度補償電圧はシフト前の温度補償電圧と高温領域と低温領域とで互いに接し、高温領域と低温領域との間にシフト前の温度補償電圧とシフト後の温度補償電圧とに囲まれた領域が発生する。これにより圧電振動子のヒステリシス特性と極めて類似した温度特性を得ることができる。したがって一の温度特性を有する温度補償電圧を圧電振動子の温度の上昇時及び下降時の圧電振動子の発振周波数の温度特性に対応させてシフトさせ、圧電振動子のヒステリシス特性に対応した温度補償が可能となる。
【００２０】
［適用例６］前記温度補償電圧発生回路は、前記検出電圧に基づいて前記圧電振動子の温度の上昇時及び下降時のいずれか一方の温度特性を有する電圧を前記発振回路に出力するとともに、前記検出電圧の上昇・下降を検出し前記圧電振動子の温度の上昇及び下降を判定する判定信号を出力し、前記温度補償電圧を、前記判定信号に基づいて前記一方の温度特性の反対の他方の温度特性に対応して設定された前記温度補償電圧のオフセット量だけオフセットし、前記検出電圧を、前記判定信号に基づいて前記他方の温度特性に対応して設定された前記検出電圧のオフセット量だけオフセットすることを特徴とする適用例５に記載の圧電発振器の温度補償方法。
【００２１】
上記方法において、圧電振動子の温度の上昇時及び下降時のいずれか一方においてオフセット量を一定量とし他方においてゼロに設定することになる。よって前記一方の温度特性に合わせた温度補償電圧発生回路に基づいて温度補償を高精度に行うことができる。
【００２２】
［適用例７］前記検出電圧及び前記温度補償電圧に設定されたオフセット量は、前記圧電振動子の温度の上昇時の設定最低温度と設定最高温度、及び前記圧電振動子の温度の下降時の基準温度における温度補償電圧において、前記オフセット量によって生じる電圧方向の差分の総和が最小となるように、または前記圧電振動子の温度の下降時の設定最低温度と設定最高温度、及び前記圧電振動子の温度の上昇時の基準温度における温度補償電圧において、前記オフセット量によって生じる電圧方向の差分の総和が最小となるように、それぞれ算出したことを特徴とする適用例６に記載の圧電発振器の温度補償方法。
【００２３】
上記方法により、設定最低温度を下限とし、設定最高温度を上限とした設定温度範囲において圧電振動子のヒステリシス特性に高精度に対応した温度補償電圧を出力することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本実施形態の温度補償回路の回路図である。
【図２】本実施形態の判定回路の回路図である。
【図３】本実施形態の第１のオフセット回路の回路図である。
【図４】本実施形態の第２のオフセット回路の回路図である。
【図５】本実施形態の温度補償回路の温度補償の概念を示し、図５（ａ）は圧電振動子の発振周波数の温度変化に対するヒステリシス特性を示す図、図５（ｂ）は、圧電振動子の発振周波数の温度上昇時の温度特性（ｆ１）と温度下降時の温度特性（ｆ２）の周波数方向の差分（ｆ１−ｆ２、ヒステリシス量）を示す図、図５（ｃ）は圧電振動子の発振周波数の温度上昇時の温度特性（ｆ１）と、前記温度特性について温度方向及び周波数方向に平行移動させた温度特性（ｆ１’）の図である。
【図６】温度補償電圧の温度方向のオフセット量及び電圧方向のオフセット量の算出工程のフロー図である。
【図７】本実施形態の温度補償回路の作用効果を示す図である。
【図８】本実施形態の第１のオフセット回路の変形例の回路図である。
【図９】本実施形態の第２のオフセット回路の変形例の回路図である。
【図１０】従来技術に係る温度補償型発振器の回路図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００２６】
図１に本実施形態に係る圧電発振器用オフセット回路を組み込んだ圧電発振器の回路図を示す。本実施形態に係る圧電発振器用オフセット回路は、圧電振動子１２を発振させて発振信号６６を出力し、入力される前記圧電振動子１２の発振周波数の温度特性に対応した温度補償電圧６４により前記発振信号６６の発振周波数の温度補償を行う発振回路１４と、前記圧電振動子１２の温度に対応した検出電圧６２を出力する温度検出手段（温度センサー１６）と、前記発振回路１４と前記温度検出手段（温度センサー１６）との間に介装され、前記温度補償電圧６４を前記検出電圧６２に対応して出力する温度補償電圧発生回路１８と、を有する圧電発振器１０に取り付けられた圧電発振器用オフセット回路であって、前記温度検出手段（温度センサー１６）と前記温度補償電圧発生回路１８との間に介装され、前記発振周波数の温度の上昇時及び下降時の温度特性にそれぞれ対応して、前記検出電圧６２をオフセットすることにより前記温度補償電圧６４を温度方向にオフセットする第１のオフセット回路４６と、前記温度補償電圧発生回路１８と前記発振回路１４との間に介装され、前記発振周波数の温度の上昇時及び下降時の温度特性にそれぞれ対応して、前記温度補償電圧６４を電圧方向にオフセットする第２のオフセット回路５４と、を有するものである。
【００２７】
また、前記温度補償電圧発生回路１８は、前記温度補償電圧６４を前記圧電振動子１２の温度の上昇時及び下降時のいずれか一方の温度特性に対応して出力し、前記圧電発振器用オフセット回路は、前記検出電圧の上昇・下降を検出し圧電振動子１２の温度の上昇及び下降を判定する判定信号６８を出力する判定回路３２を有し、前記第１のオフセット回路４６は、前記一方の温度特性の反対の他方の温度特性に対応した前記検出電圧６２のオフセット量が設定され、前記判定信号６８に基づいて前記検出電圧６２を前記検出電圧６２のオフセット量だけオフセットし、前記第２のオフセット回路５４は、前記他方の温度特性に対応した前記温度補償電圧６４のオフセット量が設定され、前記判定信号６８に基づいて入力した前記温度補償電圧６４を前記温度補償電圧６４のオフセット量だけオフセットするものである。
【００２８】
したがって本実施形態に係る圧電発振器の温度補償方法は、圧電振動子１２を発振させて発振信号６６を出力し、入力される前記圧電振動子１２の発振周波数の温度特性に対応した温度補償電圧６４により前記発振信号６６の発振周波数の温度補償を行う発振回路１４と、前記圧電振動子１２の温度に対応した検出電圧６２を出力する温度検出手段となる温度センサー１６との間に介装され、前記温度補償電圧６４を前記検出電圧６２に対応して出力する圧電発振器１０の温度補償方法であって、圧電振動子１２の温度の上昇時及び下降時の前記発振周波数の温度特性にそれぞれ対応して、前記温度補償電圧６４を電圧方向にオフセットするとともに、前記検出電圧６２をオフセットすることにより前記温度補償電圧６４を温度方向にオフセットするものである。
【００２９】
また、前記温度補償電圧発生回路１８は、前記検出電圧６２に基づいて前記圧電振動子１２の温度の上昇時及び下降時のいずれか一方の温度特性を有する電圧を前記発振回路１４に出力するとともに、前記検出電圧６２の上昇・下降を検出し前記圧電振動子１２の温度の上昇及び下降を判定する判定信号６８を出力し、前記温度補償電圧６４を、前記判定信号６８に基づいて前記一方の温度特性の反対の他方の温度特性に対応して設定された前記温度補償電圧６４のオフセット量だけオフセットし、前記検出電圧６２を、前記判定信号６８に基づいて前記他方の温度特性に対応して設定された前記検出電圧６２のオフセット量だけオフセットするものである。
【００３０】
図１に示すように圧電発振器１０においては、温度検出手段となる温度センサー１６、第１のオフセット回路４６、温度補償電圧発生回路１８、発振回路１４に接続する第２のオフセット回路５４の順に直列に接続されている。また判定回路３２は、入力側が温度センサー１６に接続され、出力側が第１のオフセット回路４６及び第２のオフセット回路５４に接続されている。
【００３１】
圧電振動子１２は、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等の圧電材料から形成され、水晶であれば周波数温度特性に優れるＡＴカット振動子が望ましい。このようなＡＴカット水晶振動子は、発振回路１４から交流電圧を受けて、厚みすべり振動により所定の発振周波数で発振することができる。このＡＴカットによる厚みすべり振動を用いた圧電振動子の発振周波数は、基準温度（２５℃近辺）を中心として３次曲線となる温度特性を有している。
【００３２】
発振回路１４は、圧電振動子１２を発振源とする例えばコルピッツ型の発振回路であるとともに、温度補償電圧６４を入力して圧電振動子１２の発振周波数の温度補償を行うことができる。
【００３３】
温度センサー１６は、ダイオード構造を有しており、順方向電流を流し、温度によって変化するダイオードの端子間電位であるアナログの検出電圧６２を第１のオフセット回路４６及び判定回路３２に出力するものである。ここで検出電圧６２は温度上昇とともに１次関数的に減少し、出力される検出電圧６２は測定される温度に対応したものとなっている。なお、温度センサー１６は圧電振動子１２に隣接して配置することが望ましい。これにより圧電振動子１２の温度を測定誤差を抑制して測定することができ、温度補償電圧６４の出力誤差を抑制することができる。
【００３４】
温度補償電圧発生回路１８は、４次電圧発生回路２０、３次電圧発生回路２２、２次電圧発生回路２４、１次電圧発生回路２６、０次電圧発生回路２８、加算回路３０により構成されている。
【００３５】
本実施形態のように圧電振動子１２がＡＴカット水晶振動子である場合、圧電振動子１２の発振周波数の温度特性Δｆ／ｆ０は以下の近似曲線より表わすことができる。
【数１】
【００３６】
ここでｆ０は基準温度（２５℃）における発振周波数（基準周波数）、Ｔ０は基準温度、Ａは４次の温度係数、Ｂは３次の温度係数、Ｃは２次の温度係数、Ｄは１次の温度係数、Ｅは０次の温度係数（オフセット係数）である。よってこのような温度特性を有する発振回路１４（圧電振動子１２）の温度補償を行うために、温度補償電圧６４（Ｖｈ、後述の理想補償電圧も同様）は、以下のような温度特性を有する必要がある。
【数２】
ここで、Ｖｃ４、Ｖｃ３、Ｖｃ２、Ｖｃ１、Ｖｃ０は、それぞれ数式１の−Ａ、−Ｂ、−Ｃ、−Ｄ、−Ｅに対応する。
【００３７】
よって４次電圧発生回路２０は付属する記憶領域（不図示）にＶｃ４の情報が記憶され、圧電振動子１２の温度、すなわち検出電圧６２（温度Ｔ）から基準温度における検出電圧（温度Ｔ０）との差分（Ｔ−Ｔ０）の４乗とＶｃ４の情報との積に対応する電圧を出力する。３次電圧発生回路２２は付属する記憶領域（不図示）にＶｃ３の情報が記憶され、前記差分の３乗とＶｃ３の情報の積に対応する電圧を出力する。２次電圧発生回路２４は付属する記憶領域（不図示）にＶｃ２の情報が記憶され、前記差分の２乗とＶｃ２の情報の積に対応する電圧を出力する。１次電圧発生回路２６は付属する記憶領域（不図示）にＶｃ１の情報が記憶され、前記差分とＶｃ１の情報の積に対応する電圧を出力する。０次電圧発生回路２８は付属する記憶領域（不図示）にＶｃ０の情報が記憶され、Ｖｃ０の情報に対応する電圧を出力する。さらにこれらの電圧は加算回路３０において加算され温度補償電圧６４が生成される。
【００３８】
こうして生成された温度補償電圧６４を発振回路１４に出力することにより、発振回路１４は使用温度範囲内の任意の温度において基準周波数とほぼ同一の発振周波数の発振信号６６を出力することができる。なお本実施形態において上述の各温度係数は、圧電振動子１２の温度を上昇させたときの圧電振動子１２の発振周波数の温度特性に対応するように算出されている。また、これらの温度係数は後述の工程により演算される。さらに、Ａ及びＣは、Ｂ、Ｄ、Ｅに比べて値が小さいので４次電圧発生回路２０及び２次電圧発生回路２４は省略してもよい。
【００３９】
図２に判定回路３２の回路図を示す。判定回路３２は、温度センサー１６から出力される検出電圧６２の上昇・下降から圧電振動子１２の温度の上昇・下降を判定するものである。判定回路３２は検出電圧６２の上昇時は圧電振動子１２の温度が下降すると判定し、これに伴う判定信号を出力する。逆に検出電圧６２の下降時には圧電振動子１２の温度が上昇する判定を行ない、これに伴う判定信号６８を出力する。
【００４０】
判定回路３２は、分周器３４、ＡＤコンバータ３６、遅延回路３８、ＤＡコンバータ４０、ヒステリシスコンパレータ４２、１ビットＤＡコンバータ４４から構成されている。
分周器３４は、例えば発振回路１４からの発振信号６６を分周して分周して得られるサンプリングクロックをＡＤコンバータ３６に出力するものである。
【００４１】
ＡＤコンバータ３６は、温度センサー１６から出力されるアナログの検出電圧６２をサンプリングクロックの周期ごとにデジタルデータに変換して遅延回路３８に出力するものである。
【００４２】
遅延回路３８にはデジタル化された検出電圧６２が入力される。そして遅延回路３８は、次回のサンプリングに係るデジタル化された検出電圧６２が入力されるまで、前回のサンプリングに係るデジタル化された検出電圧６２を過去の検出電圧６２ａとして保持するとともにＤＡコンバータ４０に出力することができる。
【００４３】
ヒステリシスコンパレータ４２は、ＤＡコンバータにおいてアナログ化されて出力された過去の検出電圧６２ａと現在の検出電圧６２とを比較し、その大小関係を低電圧Ｌ及び高電圧Ｈにより出力するものである。ヒステリシスコンパレータ４２は、プラス側の差動入力４２ａがＤＡコンバータ４０に抵抗Ｒ１を介して接続され、マイナス側の差動入力４２ｂが温度センサー１６に接続されている。またプラス側の差動入力４２ａは出力４２ｃに抵抗Ｒ２を介して接続され正帰還回路を形成している。よってマイナス側の差動入力４２ｂに接続された現在の検出電圧６２は過去の検出電圧６２ａに対してヒステリシス特性を有している。これによりヒステリシスコンパレータ４２の出力４２ｃが温度の微妙な揺らぎに対して敏感に反応しないようにしている。ここでＲ２＝２０×Ｒ１とすることにより現在の検出電圧６２は過去の検出電圧６２ａに対して電圧比で５％の不感帯を形成している。
【００４４】
ここで、圧電振動子１２の温度が下降する場合は、現在の検出電圧６２は過去の検出電圧６２ａよりも低くなるので出力はＨとなる。逆に圧電振動子１２の温度が上昇する場合は、現在の検出電圧６２は過去の検出電圧６２ａよりも高くなるので出力はＬとなる。
【００４５】
１ビットＤＡコンバータ４４は、ヒステリシスコンパレータ４２の出力４２ｃに接続され、出力４２ｃを後述の第１のオフセット回路４６、及び第２のオフセット回路５４で用いる電圧に変換するものである。本実施形態においては電圧Ｈを１．６Ｖに変換し、電圧Ｌを０．９Ｖに変換している。この２つの電圧が判定信号６８となり、１．６Ｖの場合が圧電振動子１２の温度の上昇を示し、０．９Ｖの場合が圧電振動子１２の温度の下降を示すことになる。
【００４６】
図３に第１のオフセット回路４６の回路図を示す。第１のオフセット回路４６は、判定信号６８と参照電圧（Ｖｒｅｆ：１．２Ｖ）との差動増幅を行なう差動増幅回路４８と、参照電圧側の差動増幅に伴う電流に対応して電流を発生させるカレントミラー回路５０と、検出電圧６２を基準としカレントミラー回路５０側の電圧を反転増幅することにより前記検出電圧６２をマイナス側にオフセットするオペアンプ５２と、を有する。
【００４７】
差動増幅回路は、定電流源４８ａと、ゲートが判定信号６８側に接続されたＮｃｈトランジスタ４８ｂと、ゲートが参照電圧側に接続されたＮｃｈトランジスタ４８ｃと、ゲート・ドレイン間をショートしダイオードとして作用するＰｃｈトランジスタ４８ｄ、４８ｅと、を有する。ここで、判定信号６８の電圧が１．６Ｖ、すなわち圧電振動子１２の温度が上昇している場合は、差動増幅回路５６において判定信号６８側に接続されたＮｃｈトランジスタ４８ｂが導通する。逆に判定信号６８の電圧が０．９Ｖの場合、すなわち圧電振動子１２の温度が下降している場合は、参照電圧側に接続されたＮｃｈトランジスタ４８ｃが導通する。よってカレントミラー回路５０は圧電振動子１２の温度が下降している場合にオペアンプ５２に電流５０ａを出力する。
【００４８】
オペアンプ５２は、反転増幅の増幅比を調整する可変抵抗５２ａと、可変抵抗５２ａの抵抗値の情報を記憶するメモリ５２ｂと、メモリ５２ｂに記憶された抵抗値の情報をデコードして可変抵抗５２ａの抵抗値を調整するデコーダ（不図示）とを有する。ここで圧電振動子１２の温度が上昇しているときは、カレントミラー回路５０から出力される電流５０ａはないので、オペアンプ５２はバッファ回路として機能する。このため、オペアンプ５２の出力（検出電圧６２ｂ）は入力される検出電圧６２と同じとなり、検出電圧６２ｂのオフセットは行なわれない。一方、圧電振動子１２の温度が下降しているときは、カレントミラー回路５０からの電流５０ａが可変抵抗５２ａに流れるのでオペアンプ５２の出力（検出電圧６２ｂ）には一定量の電圧降下が発生する。この電圧降下が検出電圧６２ｂに対するオフセット量となる。ここで検出電圧６２は電圧方向にオフセットされているが、検出電圧６２は１次関数的な温度特性を有しているため、検出電圧６２ｂは見かけ上温度方向にオフセットされることになる。よって、オフセット量は可変抵抗５２ａの抵抗値により決定されるが、圧電振動子１２の発振周波数のヒステリシス特性に対応して温度補償電圧６４を温度方向に後述のΔＴだけシフトさせる量に設計されている。
【００４９】
図４に第２のオフセット回路５４の回路図を示す。第２のオフセット回路５４は、判定信号６８と参照電圧（Ｖｒｅｆ：１．２Ｖ）との差動増幅を行なう差動増幅回路５６と、参照電圧側の差動増幅に伴う電流に対応して電流を発生させるカレントミラー回路５８と、温度補償電圧６４を基準としカレントミラー回路５８側の電圧を反転増幅することにより前記温度補償電圧６４をマイナス側にオフセットするオペアンプ６０と、を有する。
【００５０】
差動増幅回路５６は、定電流源５６ａと、ゲートが判定信号６８側に接続されたＮｃｈトランジスタ５６ｂと、ゲートが参照電圧側に接続されたＮｃｈトランジスタ５６ｃと、ゲート・ドレイン間をショートしダイオードとして作用するＰｃｈトランジスタ５６ｄ、５６ｅと、を有する。ここで、判定信号６８の電圧が１．６Ｖ、すなわち圧電振動子１２の温度が上昇している場合は、差動増幅回路５６において判定信号６８側に接続されたＮｃｈトランジスタ５６ｂが導通する。逆に判定信号６８の電圧が０．９Ｖの場合、すなわち圧電振動子１２の温度が下降している場合は、参照電圧側に接続されたＮｃｈトランジスタ５６ｃが導通する。よってカレントミラー回路５８は圧電振動子１２の温度が下降している場合にオペアンプ６０に電流５８ａを出力する。
【００５１】
オペアンプ６０は、反転増幅の増幅比を調整する可変抵抗６０ａと、可変抵抗６０ａの抵抗値の情報を記憶するメモリ６０ｂと、メモリ６０ｂに記憶された抵抗値の情報をデコードして可変抵抗６０ａの抵抗値を調整するデコーダ（不図示）とを有する。ここで圧電振動子１２の温度が上昇しているときは、カレントミラー回路５８から出力される電流５８ａはなく、オペアンプ６０はバッファ回路として機能する。このため、オペアンプ６０の出力（温度補償電圧６４ａ）は入力される温度補償電圧６４と同じとなり、温度補償電圧６４ａのオフセットは行なわれない。一方、圧電振動子１２の温度が下降しているときは、カレントミラー回路５８からの電流５８ａが可変抵抗６０ａに流れるので、オペアンプ６０の出力（温度補償電圧６４ａ）には一定量の電圧降下が発生する。この電圧降下が温度補償電圧６４ａに対するオフセット量となる。このオフセット量は可変抵抗６０ａの抵抗値により決定されるが、圧電振動子１２の発振周波数のヒステリシス特性に対応して温度補償電圧６４を電圧方向に後述のΔＶだけシフトさせる量に設計されている。
【００５２】
本実施形態において，温度補償電圧６４は圧電振動子１２の温度の上昇時の圧電振動子１２の発振周波数の温度特性に対応して生成される。よって第１のオフセット回路４６及び第２のオフセット回路５４では、温度上昇時のオフセット量はゼロ、すなわちオフセットを発生させない状態とし、温度下降時のオフセット量のみそれぞれ一定量与える構成となっている。
【００５３】
図５に本実施形態の温度補償回路による温度補償の概念を示す。図５（ａ）は圧電振動子の発振周波数の温度変化に対するヒステリシス特性を示す図である。図５（ｂ）は、圧電振動子の発振周波数の温度上昇時の温度特性（ｆ１）と温度下降時の温度特性（ｆ２）の周波数方向の差分（ｆ１−ｆ２、ヒステリシス量）を示す図である。図５（ｃ）は圧電振動子の発振周波数の温度上昇時の温度特性（ｆ１）と、前記温度特性について温度方向及び周波数方向に平行移動させた温度特性（ｆ１’）の図である。
【００５４】
本実施形態の圧電発振器１０における温度補償について説明する。図５（ａ）に示すように、ＡＴカット水晶振動子の発振周波数の温度上昇時の温度特性（ｆ１）と温度下降時の温度特性（ｆ２）が一致しないため、温度変化に対してヒステリシス特性を有している。このとき、図５（ｂ）に示すように圧電振動子の発振周波数の温度上昇時の温度特性（ｆ１）と温度下降時の温度特性（ｆ２）の周波数方向の差分（ｆ１−ｆ２、ヒステリシス量）をとると２次関数的な形状を有していることがわかる。この差分は基準温度で最も大きくなり、低温域及び高温域でほぼゼロとなる。一方本願発明者は、図５（ｃ）に示すように、温度上昇時の温度特性（ｆ１）を温度方向及び周波数方向に一定量平行移動させた温度特性（ｆ１’）を描くと図５（ａ）に類似したヒステリシス特性が得られることがわかった。さらに平行移動前の温度特性（ｆ１）と平行移動後の温度特性（ｆ１’）の周波数方向の差分をとると上述同様に２次関数的な形状を有していることが分かった。そこで本実施形態では温度上昇時の圧電振動子１２の発振周波数の温度特性に対応した温度補償電圧６４ａを温度上昇時の温度補償電圧として用いる。一方、温度下降時において圧電振動子１２の発振周波数の温度特性に近似的に対応するように、温度補償電圧６４ａを温度方向及び電圧方向にそれぞれオフセットさせて用いることとした。そこで、それぞれのオフセット量を以下の工程により求めることとした。
【００５５】
図６に温度補償電圧の温度方向のオフセット量及び電圧方向のオフセット量の算出工程のフロー図を示す。温度補償電圧６４ａの温度方向のオフセット量（ΔＴ）及び電圧方向のオフセット量（ΔＶ）の算出は以下のように行なう。
【００５６】
まず本実施形態の圧電発振器１０が接続される発振回路１４の温度補償電圧の入力端子（不図示）に所定の電圧Ｖｈを出力する電圧発生器（不図示）を接続する。そして発振回路１４を任意の温度設定が可能なチャンバー（不図示）に収めるとともに、発振回路１４により圧電振動子１２を発振させる。
【００５７】
そしてチャンバー（不図示）の温度、即ち圧電振動子１２の温度を上昇させつつ、基準周波数と同じ発振周波数で発振させるようにＶｈを調整し、これを理想補償電圧として測定する。本実施形態では第１温度点（設定最低温度、例：−２５℃）、第２温度点（例：０℃）、第３温度点（基準温度、例：＋２５℃）、第４温度点（例：＋５５℃）、第５温度点（設定最高温度、例：＋７５℃）の順に温度を上昇させ、各温度点において理想補償電圧Ｖｈを測定する。そしてＰＣ等において上述の数式２に各温度点とＶｈとの関係を入力して連立方程式を形成し、温度係数に対応する係数Ｖｃ４、Ｖｃ３、Ｖｃ２、Ｖｃ１、Ｖｃ０を算出する。
【００５８】
そして上述同様に、Ｖｃ４の情報を４次の温度係数の情報として４次電圧発生回路２０に付属の記憶領域（不図示）に記憶する。Ｖｃ３の情報を３次の温度係数の情報として３次電圧発生回路２２に付属の記憶領域（不図示）に記憶する。Ｖｃ２、の情報を２次の温度係数の情報として２次電圧発生回路２４に付属の記憶領域（不図示）に記憶する。Ｖｃ１の情報を１次の温度係数の情報として１次電圧発生回路２６に付属の記憶領域（不図示）に記憶する。Ｖｃ０の情報を０次の温度係数の情報として０次電圧発生回路２８に付属の記憶領域（不図示）に記憶する。
【００５９】
次に圧電振動子１２の温度を＋７５℃から＋２５℃（基準温度）に下降させ、温度上昇時の基準温度における基準周波数と同じ発振周波数となるようにＶｈを調整し、これを理想補償電圧として測定する。
【００６０】
ここで、数式２を、温度方向にΔＴ、電圧方向にΔＶだけ平行移動すると電圧Ｖｈ’は以下のようになる。
【数３】
【００６１】
ここで、温度上昇時の−２５℃で測定されたＶｈをＶｈ１、温度下降時の＋２５℃で測定されたＶｈをＶｈ２、温度上昇時の＋７５℃で測定されたＶｈをＶｈ３とし、Ｔ１＝−２５℃、Ｔ２＝＋２５℃、Ｔ３＝＋７５℃とする。そこでＰＣ等において、Ｖｈｋ（ｋ＝１、２、３）と数式３との差分、すなわち以下の式を演算して、数式４の値が最小となるようにΔＴ及びΔＶを算出する。
【数４】
【００６２】
数式４においては変数がΔＴとΔＶの２つが存在するので、ＰＣ等においてΔＶを固定した状態でΔＴをスイープ（変化）させて、ΔＶをある値に固定した場合の数式４の値の最小値とそのときのΔＴを算出する。そしてΔＶを一定の範囲（例えば−１５ｍＶ〜＋１５ｍＶ）で一定の刻み幅でスイープ（変化）させ、スイープごとに固定されたΔＶに対応する数式４の値の最小値とΔＴを順次求める。そしてΔＶの全範囲おいて算出された数式４の値が最小値群の中から最小となる数式４の値の最小値と、そのときのΔＶとΔＴを抽出する。このようにして算出されたΔＴを対応する抵抗値に換算した情報を第１のオフセット回路４６のメモリ５２ｂに記憶し、ΔＶに対応する抵抗値に換算した情報を第２のオフセット回路５４のメモリ６０ｂに記憶する。
【００６３】
図７に本実施形態の温度補償回路の作用効果を示す。図７（ａ）は圧電振動子の温度の上昇時の発振周波数の温度特性に対応した温度補償電圧を用いて温度補償を行った場合のグラフを示す。図７（ｂ）は圧電振動子の温度の上昇時の発振周波数の温度特性に対応した温度補償電圧を温度下降時に温度方向及び電圧方向にシフトさせて温度補償を行った場合のグラフを示す。
【００６４】
上記構成に係る圧電発振器１０の動作について説明する。図５（ａ）に示すように、圧電振動子１２の発振周波数は温度上昇時及び温度下降時において同一の温度特性を有さずヒステリシス特性を有している。よって図７（ａ）に示すように、温度補償電圧６４を圧電振動子１２の温度の上昇時の発振周波数の温度特性に対応して生成した場合、圧電振動子１２の温度を上昇させたときの温度補償は良好に行われている。しかし逆に圧電振動子１２の温度を下降させたときの温度補償は良好に行われず、使用温度領域において５００ｐｐｂ程度の周波数偏差が発生する。本実施形態が想定するＧＰＳ機能を有する機器にこのような周波数偏差が生じると、従来技術で述べたように測位性能に悪影響を及ぼすことになる。
【００６５】
一方、図７（ｂ）に示すように、本実施形態の圧電発振器１０においては、温度補償電圧６４（温度補償電圧６４ａ）は圧電振動子１２の発振周波数の温度上昇時の温度特性の逆特性となる近似曲線（数式２）による温度特性を有するため、発振回路１４から出力される発振信号の温度補償を良好に行うことができる。さらに温度下降時には圧電振動子１２の発振周波数の温度下降時の温度特性に対応する温度補償電圧を生成するため、温度補償電圧６４を温度方向にΔＴ、電圧方向にΔＶだけシフトさせる。これにより圧電振動子１２の発振周波数の温度下降時の温度特性に対応する温度補償電圧６４ａを近似的に生成している。そして近似的に生成された温度補償電圧６４ａにより、圧電振動子１２の温度が下降時でも温度補償を良好に行うことができる。
【００６６】
本実施形態においては温度補償電圧６４を圧電振動子１２の発振周波数の上昇時の温度特性に対応して生成しているが、逆に下降時の温度特性に対応して生成することが可能である。まず温度補償電圧を求めるため、上述同様に圧電振動子１２の温度を＋７５℃、＋５５℃、＋２５℃、０℃、−２５℃の順に温度を下げていく。そして各温度において圧電振動子１２の発振周波数が、温度下降時の基準温度における圧電振動子１２の基準周波数となるように数式２のＶｈを調整し、これを理想補償電圧として測定する。
【００６７】
次に上述同様に数式２におけるＶｃ４、Ｖｃ３、Ｖｃ２、Ｖｃ１、Ｖｃ０の値を算出し、各値を対応する温度補償電圧発生器１８に付属する記憶領域（不図示）に記憶させ、温度補償電圧６５が出力可能な状態とする。そして圧電振動子１２の温度を＋２５℃に上昇させ、この温度において圧電振動子１２の発振周波数が、温度下降時の基準温度における圧電振動子１２の基準周波数となるように数式２のＶｈを調整し、これを理想補償電圧として測定する。そして温度下降時の−２５℃、温度上昇時の＋２５℃、温度下降時の＋７５℃におけるＶｈを用いて、上述同様に数式４の値が最小となるようにΔＴとΔＶを算出する。このようにΔＴとΔＶを算出した後、ΔＴに対応する抵抗値の情報を後述の変形例となる第１のオフセット回路４６のメモリ５２ｂに記憶し、ΔＶに対応する抵抗値の情報を後述の変形例となる第２のオフセット回路５４のメモリ６０ｂに記憶する。
【００６８】
図８に第１のオフセット回路の変形例を示す。第１のオフセット回路７０は、判定信号６８と参照電圧（Ｖｒｅｆ：１．２Ｖ）との差動増幅を行なう差動増幅回路７２と、参照電圧側の差動増幅に伴う電流に対応して電流を発生させる第１のカレントミラー回路７４と、第１のカレントミラー回路７４から出力された電流に対応した引き込み電流７６ａを発生させる第２のカレントミラー回路７６と、検出電圧６２を基準とし前記引き込み電流７６ａに基づいて第２のカレントミラー回路７６側の電圧を反転増幅することにより前記検出電圧６２をプラス側にオフセットするオペアンプ７８と、を有する。
【００６９】
差動増幅回路７２は、定電流源７２ａと、ゲートが判定信号６８側に接続されたＮｃｈトランジスタ７２ｂと、ゲートが参照電圧側に接続されたＮｃｈトランジスタ７２ｃと、ゲート・ドレイン間をショートしダイオードとして作用するＰｃｈトランジスタ７２ｃ、７２ｄと、を有する。ここで、判定信号６８の電圧が０．９Ｖ、すなわち圧電振動子１２の温度が下降している場合は、差動増幅回路７２において参照電圧側に接続されたＮｃｈトランジスタ７２ｃが導通する。逆に判定信号６８の電圧が１．６Ｖの場合、すなわち圧電振動子１２の温度が上昇している場合は、判定信号６８側に接続されたＮｃｈトランジスタ７２ｂが導通する。よって第１のカレントミラー回路７４は圧電振動子１２の温度が下降している場合には第２のカレントミラー回路７６に電流を出力する。このとき第２のカレントミラー回路７６は第１のカレントミラー回路７４から出力された電流に対応して引き込み電流７６ａを発生させる。
【００７０】
オペアンプ７８は、反転増幅の増幅比を調整する可変抵抗７８ａと、可変抵抗７８ａの抵抗値の情報を記憶するメモリ７８ｂと、メモリ７８ｂに記憶された抵抗値の情報をデコードして可変抵抗７８ａの抵抗値を調整するデコーダ（不図示）とを有する。ここで圧電振動子１２の温度が下降しているときは、第２のカレントミラー回路７６への引き込み電流７６ａはないので、オペアンプ７８はバッファ回路として機能する。このためオペアンプ７８の出力（検出電圧６２ａ）は、入力される検出電圧６２と同じとなり、検出電圧６２ａのオフセットは行なわれない。一方、圧電振動子１２の温度が下降しているときは、第２のカレントミラー回路７６への引き込み電流７６ａが可変抵抗７８ａを介してオペアンプ７８の出力から流れる。このためオペアンプ７８の出力（検出電圧６２ｃ）には一定量の電圧上昇が発生する。この電圧上昇が検出電圧６２ｃに対するオフセット量となる。このオフセット量は可変抵抗７８ａの抵抗値により決定されるが、圧電振動子１２の発振周波数のヒステリシス特性に対応して温度補償電圧６５を温度方向に上述のΔＴだけシフトさせる量に設計されている。
【００７１】
図９に第２のオフセット回路の変形例を示す。第２のオフセット回路８０は、判定信号６８と参照電圧（Ｖｒｅｆ：１．２Ｖ）との差動増幅を行なう差動増幅回路８２と、参照電圧側の差動増幅に伴う電流に対応して電流を発生させる第１のカレントミラー回路８４と、第１のカレントミラー回路８４から出力された電流に対応した引き込み電流８６ａを発生させる第２のカレントミラー回路８６と、温度補償電圧６５を基準とし前記引き込み電流８６ａに基づいて第２のカレントミラー回路８６側の電圧を反転増幅することにより前記温度補償電圧６５をプラス側にオフセットするオペアンプ８８と、を有する。
【００７２】
差動増幅回路８２は、定電流源８２ａと、ゲートが判定信号側に接続されたＮｃｈトランジスタ８２ｂと、ゲートが参照電圧側に接続されたＮｃｈトランジスタ８２ｃと、ゲート・ドレイン間をショートしダイオードとして作用するＰｃｈトランジスタ８２ｄ、８２ｅと、を有する。ここで、判定信号６８の電圧が０．９Ｖ、すなわち圧電振動子１２の温度が下降している場合は、差動増幅回路８２において参照電圧側に接続されたＮｃｈトランジスタ８２ｃが導通する。逆に判定信号６８の電圧が１．６Ｖの場合、すなわち圧電振動子１２の温度が上昇している場合は、判定信号６８側に接続されたＮｃｈトランジスタ８２ｂが導通する。よって第１のカレントミラー回路８４は圧電振動子１２の温度が下降している場合に第２のカレントミラー回路８６に電流を出力する。このとき第２のカレントミラー回路８６は第１のカレントミラー回路８４から出力された電流に対応して引き込み電流８６ａを発生させる。
【００７３】
オペアンプ８８は、反転増幅の増幅比を調整する可変抵抗８８ａと、可変抵抗８８ａの抵抗値の情報を記憶するメモリ８８ｂと、メモリ８８ｂに記憶された抵抗値の情報をデコードして可変抵抗８８ａの抵抗値を調整するデコーダ（不図示）とを有する。ここで圧電振動子１２の温度が下降しているときは、第２のカレントミラー回路８６に出力する引き込み電流８６ａはないので、オペアンプ８８はバッファ回路として機能する。このためオペアンプ８８の出力（温度補償電圧６５ａ）は、入力される温度補償電圧６５と同じとなり、温度補償電圧６５ａのオフセットは行なわれない。一方、圧電振動子１２の温度が上昇しているときは、第２のカレントミラー回路８６への引き込み電流８６ａが可変抵抗８８ａを介してオペアンプ８８の出力から流れる。このためオペアンプ８８の出力（温度補償電圧６５ａ）には一定量の電圧上昇が発生する。この電圧上昇が温度補償電圧６５ａに対するオフセット量となる。このオフセット量は可変抵抗８８ａの抵抗値により決定されるが、圧電振動子１２の発振周波数のヒステリシス特性に対応して温度補償電圧６５を電圧方向に上述のΔＶだけシフトさせる量に設計されている。
【００７４】
本実施形態においては、温度補償電圧６４、６５が、圧電振動子１２の温度の上昇時または下降時の発振周波数の温度特性に対応して生成されている。しかし例えば上昇時の温度特性及び下降時の温度特性の中間値となる温度特性に対応した温度補償電圧を生成し、上昇時のΔＴ、ΔＶ、下降時のΔＴ、ΔＶを算出する。そして温度上昇時及び温度下降のオフセット量を可変可能な第１、第２のオフセット回路（不図示）のメモリ（不図示）にそれぞれ記憶し、温度の上昇及び下降に対応して検出電圧６２及び温度補償電圧のオフセット量を調整するようにしてもよい。
【００７５】
また数式４に基づいて演算において、ＰＣ等においてΔＴを固定した状態でΔＶを変化させて、ΔＴをある値に固定した場合の数式４の値の最小値とそのときのΔＶを算出する。そしてΔＴを一定の範囲で一定の刻み幅でスイープ（変化）させ、スイープごとに固定されたΔＴに対応する数式４の値の最小値とΔＶを順次求める。そしてΔＴの全範囲おいて算出された数式４の値が最小値群の中から最小となる数式４の値の最小値と、そのときのΔＶとΔＴを抽出してもよい。
【００７６】
さらに、本実施形態の圧電発振器用オフセット回路を、上述の圧電発振器に組み込むことにより、圧電振動子１２のヒステリシス特性に対応した温度補償が可能な圧電発振器１０を形成できることは言うまでもない。
【００７７】
以上述べたように本実施形態に係る圧電発振器用オフセット回路、圧電発振器の温度補償方法によれば、第１には、第１のオフセット回路４６、７０を介して入力された検出電圧６２に基づいて温度補償電圧発生回路１８から出力された温度補償電圧６４、６５は、第１のオフセット回路４６における前記検出電圧６２のオフセット量だけ温度方向にシフトする。さらに第２のオフセット選択回路５４、８０から出力された温度補償電圧６４ａ、６５ａは第２のオフセット回路５４、８０における前記温度補償電圧６４、６５のオフセット量だけ電圧方向にシフトする。よって、シフト後の温度補償電圧６４ａ、６５ａはシフト前の温度補償電圧６４、６５と高温領域と低温領域とで互いに接し、高温領域と低温領域との間にシフト前の温度補償電圧６４、６５とシフト後の温度補償電圧６４ａ、６５ａとに囲まれた領域が発生する。このため圧電振動子１２のヒステリシス特性と極めて類似した温度特性を得ることができる。したがって一の温度特性を有する温度補償電圧６４、６５を圧電振動子１２の温度の上昇時及び下降時の圧電振動子１２の発振周波数の温度特性に対応させてシフトさせ、圧電振動子１２のヒステリシス特性に対応した温度補償が可能となる。
【００７８】
第２には、圧電振動子１２の温度の上昇時及び下降時のいずれか一方においてオフセット量を一定量とし他方においてゼロに設定することができる。よって前記一方の温度特性に合わせて温度補償電圧発生回路１８に入力する温度係数を合わせることにより、温度補償を高精度に行うことができる。また前記一方の場合には第１のオフセット回路４６、７０及び第２のオフセット選択回路５４、８０を作動させずに検出電圧６２及び温度補償電圧６４、６５を後段に通過させる構成が可能となる。したがって第１のオフセット回路４６、７０及び第２のオフセット選択回路５４、８０は圧電振動子１２の温度の上昇時及び下降時のいずれか一方のオフセット量を実現する構成が不要となり、構成を簡略化してコストを抑制することが可能となる。
【００７９】
第３には、前記検出電圧６２及び前記温度補償電圧６４にそれぞれ設定されたオフセット量（ΔＴ、ΔＶ）は、圧電振動子１２の温度の上昇時の設定最低温度と設定最高温度、及び圧電振動子１２の温度の下降時の基準温度における温度補償電圧６４において、前記オフセット量によって生じる電圧方向の差分の総和が最小となるように、または圧電振動子１２の温度の下降時の設定最低温度と設定最高温度、及び圧電振動子１２の温度の上昇時の基準温度の温度補償電圧６５において、前記オフセット量によって生じる電圧方向の差分の総和が最小となるように、それぞれ算出したことにより、設定最低温度を下限とし、設定最高温度を上限とした設定温度範囲において圧電振動子１２のヒステリシス特性に高精度に対応した温度補償電圧６４、６５を出力することが可能な圧電発振器１０となる。
【００８０】
また本実施形態に係る圧電発振器によれば、一の温度特性を有する温度補償電圧を圧電振動子１２の温度の上昇時及び下降時の圧電振動子の発振周波数の温度特性に対応させてシフトさせ、圧電振動子のヒステリシス特性に対応した温度補償が可能な圧電発振器となる。
【符号の説明】
【００８１】
１０………温度補償回路、１２………圧電振動子、１４………発振回路、１６………温度センサー、１８………温度補償電圧発生回路、２０………４次電圧発生回路、２２………３次電圧発生回路、２４………２次電圧発生回路、２６………１次電圧発生回路、２８………０次電圧発生回路、３０………加算回路、３２………判定回路、３４………分周器、３６………ＡＤコンバータ、３８………遅延回路、４０………ＤＡコンバータ、４２………ヒステリシスコンパレータ、４２ａ………差動入力、４２ｂ………差動入力、４２ｃ………出力、４４………１ビットＤＡコンバータ、４６………第１のオフセット回路、４８………差動増幅回路、４８ａ………定電流源、４８ｂ………Ｎｃｈトランジスタ、４８ｃ………Ｎｃｈトランジスタ、４８ｄ………Ｐｃｈトランジスタ、４８ｅ………Ｐｃｈトランジスタ、５０………カレントミラー回路、５０ａ………電流、５２………オペアンプ、５２ａ………可変抵抗、５２ｂ………メモリ、５４………第２のオフセット回路、５６………差動増幅回路、５６ａ………定電流源、５６ｂ………Ｎｃｈトランジスタ、５６ｃ………Ｎｃｈトランジスタ、５６ｄ………Ｐｃｈトランジスタ、５６ｅ………Ｐｃｈトランジスタ、５８………カレントミラー回路、５８ａ………電流、６０………オペアンプ、６０ａ………可変抵抗、６０ｂ………メモリ、６２………検出電圧、６２ａ………検出電圧、６２ｂ………検出電圧、６４………温度補償電圧、６４ａ………温度補償電圧、６５………温度補償電圧、６５ａ………温度補償電圧、６６………発振信号、６８………判定信号、７０………第１のオフセット回路、７２………差動増幅回路、７２ａ………定電流源、
７２ｂ………Ｎｃｈトランジスタ、７２ｃ………Ｎｃｈトランジスタ、７２ｄ………Ｐｃｈトランジスタ、７２ｅ………Ｐｃｈトランジスタ７４………第１のカレントミラー回路、７６………第２のカレントミラー回路、７６ａ………引き込み電流、７８………オペアンプ、７８ａ………可変抵抗、７８ｂ………メモリ、８０………第２のオフセット回路、８２………差動増幅回路、８４………第１のカレントミラー回路、８６………第２のカレントミラー回路、８６ａ………引き込み電流、８８………オペアンプ、８８ａ………可変抵抗、８８ｂ………メモリ、１００………温度補償型発振器、１０２………温度検出回路、１０４………近似３次曲線発生回路、１０６………第１のプログラマブルゲイン増幅器、１０８………第２のプログラマブルゲイン増幅器、１１０………定電圧発生回路、１１２………第３のプログラマブルゲイン増幅器、１１４………加算回路、１１６………電圧制御型水晶発振回路。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電振動子を発振させて発振信号を出力し、入力される前記圧電振動子の発振周波数の温度特性に対応した温度補償電圧により前記発振信号の発振周波数の温度補償を行う発振回路と、前記圧電振動子の温度に対応した検出電圧を出力する温度検出手段と、前記発振回路と前記温度検出手段との間に介装され、前記温度補償電圧を前記検出電圧に対応して出力する温度補償電圧発生回路と、を有する圧電発振器に取り付けられた圧電発振器用オフセット回路であって、
前記温度検出手段と前記温度補償電圧発生回路との間に介装され、前記発振周波数の温度の上昇時及び下降時の温度特性にそれぞれ対応して、前記検出電圧をオフセットすることにより前記温度補償電圧を温度方向にオフセットする第１のオフセット回路と、
前記温度補償電圧発生回路と前記発振回路との間に介装され、前記発振周波数の温度の上昇時及び下降時の温度特性にそれぞれ対応して、前記温度補償電圧を電圧方向にオフセットする第２のオフセット回路と、を有することを特徴とする圧電発振器用オフセット回路。
【請求項２】
前記検出電圧の上昇・下降を検出して前記圧電振動子の温度の上昇及び下降を判定する判定信号を出力する判定回路を有し、
前記温度補償電圧発生回路は、
前記温度補償電圧を前記圧電振動子の温度の上昇時及び下降時のいずれか一方の温度特性に対応して出力し、
前記第１のオフセット回路は、
前記一方の温度特性の反対の他方の温度特性に対応した前記検出電圧のオフセット量が設定され、前記判定信号に基づいて前記検出電圧を前記検出電圧のオフセット量だけオフセットし、
前記第２のオフセット回路は、
前記他方の温度特性に対応した前記温度補償電圧のオフセット量が設定され、前記判定信号に基づいて入力した前記温度補償電圧を前記温度補償電圧のオフセット量だけオフセットすることを特徴とする請求項１に記載の圧電発振器用オフセット回路。
【請求項３】
前記検出電圧及び前記温度補償電圧に設定されたオフセット量は、
前記圧電振動子の温度の上昇時の設定最低温度と設定最高温度、及び前記圧電振動子の温度の下降時の基準温度における温度補償電圧において、前記オフセット量によって生じる電圧方向の差分の総和が最小となるように、
または前記圧電振動子の温度の下降時の設定最低温度と設定最高温度、及び前記圧電振動子の温度の上昇時の基準温度の温度補償電圧において、前記オフセット量によって生じる電圧方向の差分の総和が最小となるように、それぞれ算出されたことを特徴とする請求項２に記載の圧電発振器用オフセット回路。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧電発振器用オフセット回路を、前記圧電発振器に組みこんで形成したことを特徴とする圧電発振器。
【請求項５】
圧電振動子を発振させて発振信号を出力し、入力される前記圧電振動子の発振周波数の温度特性に対応した温度補償電圧により前記発振信号の発振周波数の温度補償を行う発振回路と、前記圧電振動子の温度に対応した検出電圧を出力する温度検出手段と、前記発振回路と前記温度手段との間に介装され、前記温度補償電圧を前記検出電圧に対応して出力する温度補償電圧発生回路と、を有する圧電発振器の温度補償方法であって、
前記圧電振動子の温度の上昇時及び下降時の前記発振周波数の温度特性にそれぞれ対応して前記温度補償電圧を電圧方向にオフセットするとともに、
前記圧電振動子の温度の上昇時及び下降時の前記発振周波数の温度特性にそれぞれ対応して前記検出電圧をオフセットすることにより前記温度補償電圧を温度方向にオフセットすることを特徴とする圧電発振器の温度補償方法。
【請求項６】
前記温度補償電圧発生回路は、前記検出電圧に基づいて前記圧電振動子の温度の上昇時及び下降時のいずれか一方の温度特性を有する電圧を前記発振回路に出力するとともに、
前記検出電圧の上昇・下降を検出し前記圧電振動子の温度の上昇及び下降を判定する判定信号を出力し、
前記温度補償電圧を、
前記判定信号に基づいて前記一方の温度特性の反対の他方の温度特性に対応して設定された前記温度補償電圧のオフセット量だけオフセットし、
前記検出電圧を、
前記判定信号に基づいて前記他方の温度特性に対応して設定された前記検出電圧のオフセット量だけオフセットすることを特徴とする請求項５に記載の圧電発振器の温度補償方法。
【請求項７】
前記検出電圧及び前記温度補償電圧に設定されたオフセット量は、
前記圧電振動子の温度の上昇時の設定最低温度と設定最高温度、及び前記圧電振動子の温度の下降時の基準温度における温度補償電圧において、前記オフセット量によって生じる電圧方向の差分の総和が最小となるように、
または前記圧電振動子の温度の下降時の設定最低温度と設定最高温度、及び前記圧電振動子の温度の上昇時の基準温度における温度補償電圧において、前記オフセット量によって生じる電圧方向の差分の総和が最小となるように、それぞれ算出したことを特徴とする請求項６に記載の圧電発振器の温度補償方法。
【請求項１】
圧電振動子を発振させて発振信号を出力し、入力される前記圧電振動子の発振周波数の温度特性に対応した温度補償電圧により前記発振信号の発振周波数の温度補償を行う発振回路と、前記圧電振動子の温度に対応した検出電圧を出力する温度検出手段と、前記発振回路と前記温度検出手段との間に介装され、前記温度補償電圧を前記検出電圧に対応して出力する温度補償電圧発生回路と、を有する圧電発振器に取り付けられた圧電発振器用オフセット回路であって、
前記温度検出手段と前記温度補償電圧発生回路との間に介装され、前記発振周波数の温度の上昇時及び下降時の温度特性にそれぞれ対応して、前記検出電圧をオフセットすることにより前記温度補償電圧を温度方向にオフセットする第１のオフセット回路と、
前記温度補償電圧発生回路と前記発振回路との間に介装され、前記発振周波数の温度の上昇時及び下降時の温度特性にそれぞれ対応して、前記温度補償電圧を電圧方向にオフセットする第２のオフセット回路と、を有することを特徴とする圧電発振器用オフセット回路。
【請求項２】
前記検出電圧の上昇・下降を検出して前記圧電振動子の温度の上昇及び下降を判定する判定信号を出力する判定回路を有し、
前記温度補償電圧発生回路は、
前記温度補償電圧を前記圧電振動子の温度の上昇時及び下降時のいずれか一方の温度特性に対応して出力し、
前記第１のオフセット回路は、
前記一方の温度特性の反対の他方の温度特性に対応した前記検出電圧のオフセット量が設定され、前記判定信号に基づいて前記検出電圧を前記検出電圧のオフセット量だけオフセットし、
前記第２のオフセット回路は、
前記他方の温度特性に対応した前記温度補償電圧のオフセット量が設定され、前記判定信号に基づいて入力した前記温度補償電圧を前記温度補償電圧のオフセット量だけオフセットすることを特徴とする請求項１に記載の圧電発振器用オフセット回路。
【請求項３】
前記検出電圧及び前記温度補償電圧に設定されたオフセット量は、
前記圧電振動子の温度の上昇時の設定最低温度と設定最高温度、及び前記圧電振動子の温度の下降時の基準温度における温度補償電圧において、前記オフセット量によって生じる電圧方向の差分の総和が最小となるように、
または前記圧電振動子の温度の下降時の設定最低温度と設定最高温度、及び前記圧電振動子の温度の上昇時の基準温度の温度補償電圧において、前記オフセット量によって生じる電圧方向の差分の総和が最小となるように、それぞれ算出されたことを特徴とする請求項２に記載の圧電発振器用オフセット回路。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧電発振器用オフセット回路を、前記圧電発振器に組みこんで形成したことを特徴とする圧電発振器。
【請求項５】
圧電振動子を発振させて発振信号を出力し、入力される前記圧電振動子の発振周波数の温度特性に対応した温度補償電圧により前記発振信号の発振周波数の温度補償を行う発振回路と、前記圧電振動子の温度に対応した検出電圧を出力する温度検出手段と、前記発振回路と前記温度手段との間に介装され、前記温度補償電圧を前記検出電圧に対応して出力する温度補償電圧発生回路と、を有する圧電発振器の温度補償方法であって、
前記圧電振動子の温度の上昇時及び下降時の前記発振周波数の温度特性にそれぞれ対応して前記温度補償電圧を電圧方向にオフセットするとともに、
前記圧電振動子の温度の上昇時及び下降時の前記発振周波数の温度特性にそれぞれ対応して前記検出電圧をオフセットすることにより前記温度補償電圧を温度方向にオフセットすることを特徴とする圧電発振器の温度補償方法。
【請求項６】
前記温度補償電圧発生回路は、前記検出電圧に基づいて前記圧電振動子の温度の上昇時及び下降時のいずれか一方の温度特性を有する電圧を前記発振回路に出力するとともに、
前記検出電圧の上昇・下降を検出し前記圧電振動子の温度の上昇及び下降を判定する判定信号を出力し、
前記温度補償電圧を、
前記判定信号に基づいて前記一方の温度特性の反対の他方の温度特性に対応して設定された前記温度補償電圧のオフセット量だけオフセットし、
前記検出電圧を、
前記判定信号に基づいて前記他方の温度特性に対応して設定された前記検出電圧のオフセット量だけオフセットすることを特徴とする請求項５に記載の圧電発振器の温度補償方法。
【請求項７】
前記検出電圧及び前記温度補償電圧に設定されたオフセット量は、
前記圧電振動子の温度の上昇時の設定最低温度と設定最高温度、及び前記圧電振動子の温度の下降時の基準温度における温度補償電圧において、前記オフセット量によって生じる電圧方向の差分の総和が最小となるように、
または前記圧電振動子の温度の下降時の設定最低温度と設定最高温度、及び前記圧電振動子の温度の上昇時の基準温度における温度補償電圧において、前記オフセット量によって生じる電圧方向の差分の総和が最小となるように、それぞれ算出したことを特徴とする請求項６に記載の圧電発振器の温度補償方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−２３４０８６（Ｐ２０１１−２３４０８６Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１０２０５１（Ｐ２０１０−１０２０５１）
【出願日】平成２２年４月２７日（２０１０．４．２７）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２７日（２０１０．４．２７）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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