温度補償型水晶発振器、温度補償型水晶発振器を実装したプリント基板、及び温度補償型水晶発振器を搭載した電子機器
【課題】
急激な温度変化が生じる場合においても、発振周波数を補償することのできる温度補償型水晶発振器、温度補償型水晶発振器を実装したプリント基板、及び温度補償型水晶発振器を搭載した電子機器を提供することを課題とする。
【解決手段】
基板上に設置される温度補償型水晶発信器であって、水晶振動子と、前記水晶振動子上に形成された抵抗体と、前記水晶発振子より基板の設置位置よりに配設される検温手段と、補正回路前記抵抗体を流れる電流値と前記検温素子の出力とに基づき前記発振周波数を補正する補正手段とを有する。
急激な温度変化が生じる場合においても、発振周波数を補償することのできる温度補償型水晶発振器、温度補償型水晶発振器を実装したプリント基板、及び温度補償型水晶発振器を搭載した電子機器を提供することを課題とする。
【解決手段】
基板上に設置される温度補償型水晶発信器であって、水晶振動子と、前記水晶振動子上に形成された抵抗体と、前記水晶発振子より基板の設置位置よりに配設される検温手段と、補正回路前記抵抗体を流れる電流値と前記検温素子の出力とに基づき前記発振周波数を補正する補正手段とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
通信機器、又は情報機器等の電子機器に用いられ、環境温度の変動による発振周波数の変動を補償する機能を有する温度補償型水晶発振器、温度補償型水晶発振器を実装したプリント基板、及び温度補償型水晶発振器を搭載した電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ：Temperature Compensated Xtal Oscillator）は、通信機器又は情報機器等の様々な電子機器に用いられている。
【０００３】
図１は、従来の温度補償型水晶発振器の断面構造を示す図である。従来の温度補償型水晶発振器は、筐体１の内部に配設される水晶振動子２及びＩＣ（Integrated Circuit：集積回路）３を含む。この水晶振動子２は、図１に示されるように、水晶片２１と、該水晶片２１に接続される一対の励振電極２２、２３を有する。
【０００４】
また、筐体１は、蓋部１Ａを有するセラミック製の筐体であり、水晶振動子２及びＩＣ３が内部に配設されて乾燥窒素が充填された状態で密封されている。
【０００５】
また、水晶振動子２の水晶片２１は、筐体１の内部空間の略中心部に位置するように、筐体１の内壁１Ｂに接続されている。水晶片２１は、例えば、ＡＴカットにより所望の固有振動数が得られる厚さに成形されており、一対の励振電極２２、２３が形成されている。励振電極２２、２３としては、金（Ａｕ）製の薄膜電極を用いる。
【０００６】
ＩＣ３は、筐体１の内部空間の底部に配設されている。また、温度センサ４は、ＩＣ３の温度に応じて抵抗値が変化する検温素子であり、例えば、ニクロム線を用いることができる。
【０００７】
図２は、図１で示した従来の温度補償型水晶発振器の回路を示す図である。
【０００８】
ＩＣ３は、可変容量コンデンサ３１、インバータ３２、出力バッファ回路３３、補正回路３４、及びメモリ３５を含む。
【０００９】
可変容量コンデンサ３１及びインバータ３２は、水晶振動子の励振電極２２、２３に接続され、水晶振動子２を含むループ状の発振回路を形成している。
【００１０】
また、出力バッファ回路３３は、発振回路で得られた発振信号をクロック信号に変換して外部に出力する回路である。出力バッファ回路３３は、実際には複数のインバータを含むことが多いが、説明の便宜上、図２では一つのインバータとして示す。
【００１１】
可変容量コンデンサ３１は、静電容量を変更可能な可変容量素子であり、ループ状の発振回路の静電容量値を変更可能にするために、発振回路に直列に挿入されているものである。本明細書に記載する可変容量コンデンサ３１は、バリキャップダイオード（varicap diode）などの可変容量コンデンサを用いて形成したものであり、補正回路３４からの印加電圧に応じて、その静電容量が可変されるものである。
【００１２】
また、メモリ３５は、ＩＣ３に内蔵されるメモリであり、温度信号を表す電流値を補正回路３４を可変容量コンデンサ３１へ印加する電流値に変換する際に用いる該水晶振動子２の周波数温度特性の逆特性を表すデータを格納しており、補正回路３４は、このメモリ３５を参照して温度センサ４で検出される温度を表す温度信号（電流値）に応じた前記可変容量コンデンサ３１への電圧を印加するものである。この補正回路３４は、たとえば特開２００８−３００９７８（特に図３）に示すような回路構成となっている。
【００１３】
以上の構成により、温度センサ４で検出される温度が変化すると、可変容量コンデンサ３１の静電容量が調節されるため、発振周波数は、温度変化に対して安定するように制御される。
【００１４】
このような温度補償型水晶発振器の出力バッファ回路３３から出力されるクロック信号は、例えば、電子機器に含まれるＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算装置）又は通信部等で用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】登録実用新案第２５０３８３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
電子機器の小型化に伴い、温度補償型水晶発振器が用いられる電子機器では実装の高密度化が進んでいる。特に、携帯電話等の携帯機器では、高密度の実装が行われる。
【００１７】
このような高密度実装を実現するためには、電子機器の内部における設計の自由度は大幅に制約され、携帯電話機の送信ユニットなどの発熱部品の近傍に温度補償型水晶発振器を実装しなければならないケースがある。
【００１８】
携帯電話機の送信ユニットの場合、通信を行う際に急激に温度が上昇する。
【００１９】
この送信ユニットで発生した熱は、主に基板を介して温度補償型水晶発信器へ伝わるため、上記従来の構成のように、温度センサが基板近くに設置されている場合は、温度センサが水晶振動子より先に温度が上昇することになる。このため、温度センサが検出した温度と水晶振動子との間で温度差が生じるため、温度補正が正確に行われず、温度補償型水晶発信器からの出力周波数が変化してしまう。これに対応するために、水晶発振子に直接温度センサを搭載することも考えられる。
【００２０】
しかしながら、上記したような急激な温度変化が生じた場合、水晶発振子は、急速に過熱されるため、水晶振動子の温度変化を検出するのでは、温度変化に追従できないことがある。
【００２１】
本実施例に基づく発明では、このような急激な温度変化が生じる場合においても、発振周波数を補償することのできる温度補償型水晶発振器、温度補償型水晶発振器を実装したプリント基板、及び温度補償型水晶発振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】
【００２２】
本実施の形態では、上記従来の課題を解決するために、水晶振動子と、前記水晶振動子上に形成された抵抗体と、前記水晶発振子より基板の設置位置よりに配設される検温手段と、前記抵抗体を流れる電流値と前記検温素子の出力とに基づき前記発振周波数を補正する補正手段とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
急激に温度変化が生じた場合、水晶振動子と検温手段との間には温度差が生じるが、上記した構成によれば、水晶振動子より基板に近い位置の温度と水晶振動子の温度との差に基づく温度補正が可能であるため、急激な温度変化に追従可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】従来の一般的な温度補償型水晶発振器の断面構造を示す図である
【図２】従来の一般的な温度補償型水晶発振器の構成を示す図である。
【図３】実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００の断面構造を示す図である。
【図４】実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００の構成を示す図である。
【図５】実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００の構成を示す図である。
【図６】実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００の遅延切替制御部４３による遅延処理の切替制御の手順を示す図である。
【図７】兼用電極１１０の温度が急激に上昇した場合に、制御遅れによって発振周波数に変動が生じることを概念的に示す特性図である。
【図８】実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００において、温度センサ４から出力される温度情報を遅延させる処理を概念的に示す特性図である。
【図９】実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００が熱源ＰＡから熱伝導を受ける際の温度分布を示す図である。
【図１０】実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００を含む携帯電話機（ａ）と、実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００が実装されたプリント基板（ｂ）を示す図である。
【図１１】実施の形態２の温度補償型水晶発振器２００の構成を示す図である。
【図１２】実施の形態２の温度補償型水晶発振器２００の構成を示す図である。
【図１３】実施の形態３の温度補償型水晶発振器３００の構成を示す図である。
【図１４】実施の形態３の温度補償型水晶発振器３００の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の温度補償型水晶発振器、温度補償型水晶発振器を実装したプリント基板、及び温度補償型水晶発振器を搭載した電子機器を適用した実施の形態について説明する。
【００２６】
［実施の形態１］
図３は、実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００の断面構造を示す図である。
【００２７】
なお、従来の一般的な温度補償型水晶発振器と同一の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。
【００２８】
実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００は、筐体１の内部に水晶振動子２、励振電極２Ａ、ＩＣ３、温度センサ４、及び兼用電極１１０を含む。
【００２９】
兼用電極１１０は、水晶振動子２の上面側に配設され、水晶振動子２の温度を直接検出できる第１検温素子であるとともに、水晶振動子２の下面側に配設される励振電極２Ａと対をなす励振電極であればよい。すなわち、兼用電極１１０は、水晶振動子２の温度を検出するための温度センサ（第１検温素子）と、水晶振動子２の励振電極のうちの一方とを兼用する電極である。この兼用電極１１０は、水晶振動子２の温度を検出できる薄膜電極であればよく、例えば、ニクロム（Ｎｉ−Ｃｒ：ニッケルとクロムを含む合金）薄膜を用いることができる。
【００３０】
また、実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００では、ＩＣ３の上に配設される温度センサ４は、第１検温素子としての兼用電極１１０より基板よりの位置に配設される第２検温素子である。
【００３１】
このように、実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００は、水晶振動子２の温度を検出するための２つの検温素子として、ＩＣ３の上に配設される温度センサ４と、兼用電極１１０とを有する。
【００３２】
また、ここでは、励振電極２Ａとして金薄膜を用いる形態について説明するが、励振電極２Ａの材質は金に限られず、銀（Ａｇ）又はアルミニウム（Ａｌ）等を用いてもよい。
【００３３】
なお、実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００では、従来の一般的な温度補償型水晶発振器において水晶振動子２の上面側に配設されていた励振電極２Ｂ（図１参照）を兼用電極１１０に変更した構造を有するため、兼用電極１１０の質量は、水晶振動子２の固有周波数に影響が生じないように調整される必要がある。
【００３４】
図４及び図５は、実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００の構成を示す図である。
【００３５】
図４（ａ）では水晶振動子２、励振電極２Ａ、及び兼用電極１１０を斜視で示し、図４（ｂ）では水晶振動子２、励振電極２Ａ、及び兼用電極１１０を断面で示す。また、図５では、励振電極２Ａ及び兼用電極１１０を回路記号で示す。なお、図示の便宜上、図４（ａ）と図４（ｂ）では、水晶振動子２の向きが天地逆になっている。
【００３６】
実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００は、補正回路補正回路４０を有する。この補正回路４０は、ＩＣ３の一部として実現され、従来の一般的な温度補償型水晶発振器におけるメモリ３５（図２参照）に相当するメモリ４５を含む。補正回路４０の詳細については後述する。
【００３７】
図４（ａ）に示すように、第１電極としての兼用電極１１０は、平板状の水晶振動子２の上面側（基板搭載側とは反対側の面）に配設される。また、第２電極としての励振電極２Ａは、平板状の水晶振動子２の下面側（基板搭載側の面）に配設される。
【００３８】
励振電極２Ａは、水晶振動子２の下面の略中心に配設されており、平面視で楕円形の電極部２ａの長軸上にストライプ状の延伸部２ｂが接続された形状である。
【００３９】
兼用電極１１０は、水晶振動子２の上面の略中心に配設されており、平面視で楕円形の電極部１１０ａの長軸上にストライプ状の一対の延伸部１１０ｂ、１１０ｃが接続された形状である。
【００４０】
兼用電極１１０の延伸部１１０ｂ及び１１０ｃは、交流遮断用のコイル１１１を介して補正回路４０と接続されている。
【００４１】
また、兼用電極１１０の延伸部１１０ｂは、可変容量コンデンサ３１の入力側に接続されており、励振電極２Ａの延伸部２ｂは、インバータ３２の出力側に接続されている。これにより、兼用電極１１０は、励振電極２Ａと対をなして可変容量コンデンサコンデンサ３１及びインバータ３２と発振回路用のループを形成するように接続されている。
【００４２】
また、インバータ３２の出力側には出力バッファ回路３３が接続される。出力バッファ回路３３から出力される発振信号は、温度補償型水晶発振器１００の最終出力となる。
【００４３】
補正回路４０は、選択部４１、遅延部４２、遅延切替制御部４３、補正部４４、及びメモリ４５を備え、ＩＣ３の一部として実現される回路である。
【００４４】
このうち、メモリ３５は、ＩＣ３に内蔵されるメモリであり、温度信号を表す電流値を補正回路４０を可変容量コンデンサ３１へ印加する電流値に変換する際に用いる該水晶振動子２の周波数温度特性の逆特性を表すデータを格納しており、補正回路３４は、このメモリ３５を参照して温度センサ４及び兼用電極１１０で検出される温度を表す温度信号（電流値）に応じた前記可変容量コンデンサ３１への電圧を印加するものである。
【００４５】
なお、この実施の形態では、温度センサ４及び兼用電極１１０との抵抗値は、同一抵抗値とし、かつ、材料はどちらもニクロムにて形成するものとする。
【００４６】
選択部４１には温度センサ４と兼用電極１１０が接続されている。選択部４１は、温度センサ４と兼用電極１１０の検出温度の差を閾値と比較する比較器と、比較結果に応じて選択部４１の出力を選択的に切り替える切替スイッチを含む。選択部４１は、切替スイッチを切り替えることにより、温度センサ４又は兼用電極１１０のいずれかで検出される温度を表す温度情報としての電流値を選択して出力する。
【００４７】
具体的には、選択部４１は、温度センサ４と兼用電極１１０の検出温度の差が閾値以上である場合には、温度センサ４で検出される温度を表す温度情報としての電流値を出力する。
【００４８】
一方、選択部４１は、温度センサ４と兼用電極１１０の検出温度の差が閾値未満である場合には、兼用電極１１０で検出される温度を表す温度情報としての電流値を出力する。
【００４９】
このように、温度センサ４と兼用電極１１０の検出温度の差が閾値以上であるか否かの判定を制御サイクル毎に行うことにより、検出温度の差の上昇度合を監視することができる。そして、検出温度の差の上昇度合を監視することは、温度センサ４の検出温度の上昇度合が、兼用電極１１０の検出温度の上昇度合よりも所定度合い以上大きいか否かを監視することになる。
【００５０】
なお、比較器での比較は、温度センサ４と兼用電極１１０の検出温度の差を表す電流値と、閾値を表す電流値との比較によって行われる。
【００５１】
遅延部４２は、入力信号を遅延させて出力することのできる遅延回路であり、例えば、デジタルディレイラインを用いることができる。遅延部４２で入力信号の遅延処理を実行するか否かの切り替えは、遅延切替制御部４３によって行われる。
【００５２】
具体的には、選択部４１から出力される電流値が温度センサ４で検出された温度であると遅延切替制御部４３によって判定された場合は、遅延部４２は遅延処理を実行する状態に切り替えられる。この場合、遅延部４２は、温度センサ４で検出された温度を表す電流値を所定時間だけ遅延させて出力する。この補正の結果、補正部４４では、温度センサ４で検出された温度に基づいた電圧を可変容量コンデンサ３１に印加することになる。
【００５３】
一方、選択部４１から出力される電流値が兼用電極１１０からの出力であった場合は、遅延部４２は遅延処理を実行しない状態に切り替えられる。この場合、遅延部４２は、兼用電極１１０で検出された温度を表す電流値を遅延させずにそのまま出力する。この結果、補正部４４では、兼用電極１１０で検出された温度に基づいた電圧が可変容量コンデンサ３１に印加される。
【００５４】
なお、このような遅延部４２における遅延処理の実行／不実行の切替処理は、遅延切替制御部４３が選択部４１の選択状態を検出することによって実行される。
【００５５】
また、遅延部４２が入力信号を遅延させる遅延時間は、温度センサ４の検出温度の方が兼用電極１１０の検出温度よりも高く、検出温度同士の差が所定値以上である場合に、温度センサ４の検出温度と同一の温度を兼用電極１１０が検出するまでの遅延時間から、フィードバック制御の遅れ時間を減算した時間に設定されている。
【００５６】
ここで、フィードバック制御の遅れ時間（制御遅れ時間）は、兼用電極１１０で検出された温度を表す電流値が補正回路４０に伝達され、補正電圧によって可変容量コンデンサ３１の静電容量が変更されるまでの制御に必要な時間である。
【００５７】
すなわち、遅延部４２が入力信号を遅延させる所定時間は、温度センサ４に対する兼用電極１１０の熱伝導の遅延時間から、制御遅れ時間を減算した時間に設定される。
【００５８】
このように熱伝導の遅延時間を考慮するのは、パワーアンプのような熱源の温度が急激に上昇し、プリント基板を介して熱伝導を受ける場合に、プリント基板により近い温度センサ４の方が先に温度が上昇し、兼用電極１１０の温度上昇が遅れるためである。
【００５９】
これにより、急激な温度上昇が生じた場合でも、温度センサ４で検出された温度情報（電流値）を所定時間だけ遅延させて、補正回路に入力させることにより、水晶振動子２の実際の温度に近い温度を導出することができる。
【００６０】
なお、温度センサ４に対する兼用電極１１０の熱伝導の遅延時間は、温度補償型水晶発振器１００の構造による固有の時間となるため、温度補償を行う前に予め計測しておけばよい。また、制御遅れ時間は、例えば、補正回路４０の制御サイクルに基づいて導出すればよい。
【００６１】
なお、遅延切替制御部４３は、例えば、ＣＰＵで実現することができる。
【００６２】
なお、遅延切替制御部４３の判定処理の詳細については、図６を用いて後述する。
【００６３】
補正部４４は、後述するメモリ４５に格納された水晶振動子２の周波数温度特性の逆特性を用いて、遅延部４２から入力される電流値を水晶振動子２の周波数温度特性とは逆特性となる補償電圧に変換して出力する。補正部４４から出力される補償電圧は、補正回路４０の出力として可変容量コンデンサ３１に供給される。
【００６４】
補正回路４０から出力される補償電圧は、可変容量コンデンサ３１に供給され、可変容量コンデンサ３１の静電容量が制御される。
【００６５】
すなわち、可変容量コンデンサ３１の静電容量は、温度センサ４又は兼用電極１１０のいずれかで検出される温度に基づいて制御されることになり、環境温度が変動しても、発振回路で発振する発振信号の発振周波数の変動が少なくなるように温度補償が行われることとなる。
【００６６】
このように、実施の形態１では、温度センサ４で検出される温度の上昇度合が兼用電極１１０で検出される温度の上昇度合よりも所定度合以上大きいか否かの判定を行うために、温度センサ４と兼用電極１１０の検出温度の差の時間的な上昇度合を選択部４１が監視する。
【００６７】
しかしながら、温度センサ４で検出される温度の上昇度合が兼用電極１１０で検出される温度の上昇度合よりも所定度合以上大きいか否かの判定は、検出温度の差の時間的な変化度合に基づく判定に限定されるものではない。
【００６８】
例えば、温度センサ４で検出される温度の上昇度合と、兼用電極１１０で検出される温度の上昇度合とをそれぞれ監視し、上昇度合同士の差が所定度合以上であるか否かを判定してもよい。
【００６９】
図４（ｂ）では、説明の便宜上、励振電極２Ａの延伸部２ｂ、兼用電極１１０の延伸部１１０ｂ及び１１０ｃを省略し、水晶振動子２に対する励振電極２Ａと兼用電極１１０の厚さ方向のスケールを拡大して示す。
【００７０】
なお、水晶振動子２は、所定の固有振動数で振動するように結晶の切断方位と寸法が設定される。水晶振動子２の寸法は、例えば、長さ（図中横方向）３．２ｍｍ、幅（図面を貫く方向）２．５ｍｍ、厚さ１ｍｍである。また、兼用電極１１０は、例えば、厚さが０．１μｍ程度のニクロム薄膜であり、スパッタリング法又は蒸着法等によって水晶振動子２に作製される。なお、水晶振動子２の下面とＩＣ３の上面との間隔は、例えば、０．３ｍｍ程度である。ただし、これらの数値は一例に過ぎず、水晶振動子２の寸法、又は、水晶振動子２の下面とＩＣ３の上面との間隔は、発振周波数及びその他の設計事項に応じて設定される。
【００７１】
図４（ｂ）においても、兼用電極１１０は、補正回路４０及びコイル１１１を含む閉回路の一部であるとともに、励振電極２Ａと対をなして、可変容量コンデンサ３１及びインバータ３２を含むループを形成していることが示されている。
【００７２】
また、図５に回路記号で示すように、兼用電極１１０には、補正回路４０及びコイル１１１を含む回路と、可変容量コンデンサ３１を含む回路とが接続されているため、兼用電極１１０には、水晶振動子２の温度に応じた直流電流が流れるとともに、発振信号（交流成分）が流れる。
【００７３】
しかしながら、コイル１１１で交流成分が遮断されるため、補正回路４０及びコイル１１１を含む閉回路には直流電流のみが流れ、補正回路４０には兼用電極１１０で検出される温度を表す電流値のみが入力されることになる。
【００７４】
また、可変容量コンデンサ３１で直流電流が遮断されるため、インバータ３２には交流成分である発振信号のみが入力される。
【００７５】
図６は、実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００の遅延切替制御部４３による遅延処理の切替制御の手順を示す図である。
【００７６】
遅延切替制御部４３は、選択部４１から出力される電流値が温度センサ４又は兼用電極１１０のいずれで検出された温度であるかを判定する（ステップＳ１）。この判定は、上述のように、選択部４１が切替スイッチを切り替えるための制御指令に基づいて行われる。
【００７７】
温度センサ４で検出された温度であると判定した場合（ステップＳ１でＹｅｓ）は、遅延切替制御部４３は、遅延処理を実行する状態に遅延部４２を切り替える（ステップＳ２Ａ）。
【００７８】
急激な温度上昇により、兼用電極１１０によって検出される温度と水晶振動子２の実際の温度とに温度差が生じていると考えられるため、兼用電極１１０よりも熱的に上流側に位置する温度センサ４で検出された温度を用いて正確な温度補償を行うためである。
【００７９】
一方、兼用電極１１０で検出された温度であると判定した場合（ステップＳ１でＮｏ）は、遅延切替制御部４３は、遅延処理を実行しない状態に遅延部４２を切り替える（ステップＳ２Ａ）。
【００８０】
急激な温度上昇は生じておらず、兼用電極１１０によって検出される温度は水晶振動子２の実際の温度を表していると考えられるため、水晶振動子２に配設される兼用電極１１０で検出された温度を用いて正確な温度補償を行うためである。
【００８１】
以上のように、遅延切替制御部４３により、遅延部４２における遅延処理の実行／不実行の切り替えが行われる。
【００８２】
図７は、兼用電極１１０の温度が急激に上昇した場合に、制御遅れによって発振周波数に変動が生じることを概念的に示す特性図である。図７（ａ）において、縦軸は兼用電極１１０によって検出される温度を電流値として示し、横軸は時間軸を示す。また、図７（ｂ）において、縦軸は出力バッファ回路３３から出力される発振信号の周波数を示し、横軸は時間軸を示す。
【００８３】
なお、図７に示す特性は、比較説明用に示す特性であり、実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００において生じる動作を示すものではない。
【００８４】
時刻ｔ＝０において、兼用電極１１０に急激な温度上昇が生じ、この温度上昇の度合がフィードバック制御に制御遅れを生じさせる程度であるとする。
【００８５】
このとき、水晶振動子２の実際の温度は、実線で示すように上昇するが、兼用電極１１０で検出され、フィードバック制御に用いられる温度を表す電流値の特性は、一点鎖線で示すように、制御遅れの時間ｔ１だけ遅れて追従する。
【００８６】
このように、フィードバック制御に用いられる温度情報に制御遅れが生じると、可変容量コンデンサ３１の静電容量の制御が時間ｔ１だけ遅れるため、時刻ｔ＝０の直後に発振周波数に比較的大きな変動が生じる。
【００８７】
このような発振周波数の変動は、時刻ｔ＝ｔ２（＞＞ｔ１）程度まで続くため、発振周波数の温度補償が正確に行われない期間が生じる。
【００８８】
図８は、実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００において、温度センサ４から出力される温度情報としての電流値を遅延させる処理を概念的に示す特性図である。図８（ａ）において、縦軸は温度センサ４によって検出される温度と遅延された温度情報を電流値として示し、横軸は時間軸を示す。また、図８（ｂ）において、縦軸は出力バッファ回路３３から出力される発振信号の周波数を示し、横軸は時間軸を示す。図８に示す遅延処理は、遅延部４２によって実行される処理である。
【００８９】
実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００では、上述のように、温度センサ４と兼用電極１１０の検出温度の差が所定値以上である場合には、温度センサ４で検出される温度を表す電流値が選択部４１から出力される。
【００９０】
この場合、遅延部４２の遅延処理は、遅延切替制御部４３によって遅延処理を実行する状態に切り替えられるため、破線で示す温度センサ４の検出値は、所定時間ｔ３だけ遅延されて補正部４４に入力される。
【００９１】
ここで、温度センサ４と兼用電極１１０の検出温度の差が所定値以上である場合に、温度センサ４での検出温度と同一の温度を兼用電極１１０が検出するまでの熱伝導の遅延時間をｔ４とすると、遅延される所定時間ｔ３は、ｔ３＝ｔ４−ｔ１で表される。ｔ１は、上述のように、制御遅れ時間である。
【００９２】
このため、遅延部４２からは、温度センサ４によって出力される温度情報としての電流値が図８に一点鎖線で示すように時間ｔ３だけ遅延されたタイミングで出力され、補正部４４に入力される。
【００９３】
水晶振動子２の実際の温度は、図８に二点鎖線で示すように、温度センサ４で検出される温度に対して遅延時間ｔ４だけ遅れて上昇するので、制御遅れ時間ｔ１だけ早いタイミングで上昇する温度情報（図８の一点鎖線）を補正部４４に入力することにより、水晶振動子２の実際の温度変化を表す温度情報に基づく補償電圧を出力することができる。
【００９４】
これにより、実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００によれば、温度センサ４と兼用電極１１０との間における熱伝導の遅延時間と、制御遅れ時間との影響を抑制して、発振周波数の温度補償を正確に行うことができる。
【００９５】
なお、実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００では、図８に破線で示すように温度センサ４で温度が検出されても、熱伝導の遅延時間（ｔ４）から制御遅れ時間（ｔ１）を減じた所定時間（ｔ３）だけ遅延させた一点鎖線で示す温度特性を用いて補償電圧を生成する。このため、時刻ｔ＝０で温度センサ４が温度を検出しても、時刻ｔ＝ｔ３までは温度補償は行われない。
【００９６】
また、温度センサ４と兼用電極１１０の検出温度の差が所定値未満になったときには、選択部４１の出力は、温度センサ４で検出された温度を表す電流値から兼用電極１１０で検出された温度を表す電流値に切り替わる。これは、温度センサ４の検出温度の上昇度合と兼用電極１１０の検出温度の上昇度合との差が所定値未満になるからである。
【００９７】
このため、図８に示すｔ５の前後のあたりで、補償電圧は兼用電極１１０で検出された温度を表す電流値に基づいて生成されることになる。
【００９８】
実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００によれは、急激な温度上昇が生じた場合でも、温度センサ４で得られる温度情報を遅延させることにより、水晶振動子２の温度を正確に把握することができる。
【００９９】
このため、温度上昇が急すぎて兼用電極１１０で得られる温度情報では制御遅れが生じてしまうような状況でも、水晶振動子２の温度を正確に導出して可変容量コンデンサ３１の静電容量を正確に制御することができる。
【０１００】
このため、実施の形態１によれば、環境温度が急激に変動しても、正確に発振周波数の温度補償を行うことのできる温度補償型水晶発振器１００を提供することができる。
【０１０１】
なお、以上では、補正回路４０が選択部４１、遅延部４２、遅延切替制御部４３、補正部４４、及びメモリ４５を含む形態について説明した。しかしながら、補正回路４０の回路構造は、温度センサ４の検出温度の上昇度合が兼用電極１１０の検出温度の上昇度合よりも所定度合い以上大きい場合に、温度センサ４の検出温度、熱伝導の遅延時間、及び制御遅れ時間に基づいて発振周波数の温度補償を行えるのであれば、上述の回路に限定されるものではない。
【０１０２】
図９は、実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００が熱源ＰＡから熱伝導を受ける際の温度分布を示す図である。図９において、濃く示す部分の方が薄く示す部分よりも温度が高いことを表す。
【０１０３】
温度補償型水晶発振器１００を収容する筐体１は、プリント基板Ｓの上に設置されており、プリント基板Ｓの裏面には、パワーアンプＰＡが実装されている。
【０１０４】
このパワーアンプＰＡは、温度補償型水晶発振器１００の外部熱源であり、例えば、携帯電話機等のように通信を行う電子機器に含まれる。このため、非通信時には殆ど発熱しないが、通信時には発熱する。特に、通信開始時には発熱量が多く、パワーアンプＰＡの温度は急激に上昇する。
【０１０５】
このように急激に温度が上昇すると、パワーアンプＰＡの熱が熱伝導によってプリント基板Ｓを経由し、筐体１に到達する。筐体１に到達した熱は、筐体１の底部側（プリント基板Ｓ側）から温度補償型水晶発振器１００に伝達される。
【０１０６】
このため、プリント基板Ｓに近いＩＣ３の方が、プリント基板Ｓよりも遠い水晶振動子２よりも温度が高くなる。この温度分布は、温度センサ４と兼用電極１１０の検出温度の差として現れる。
【０１０７】
実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００では、このように急激な温度上昇が生じた場合でも、対応が可能である。
【０１０８】
図１０は、実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００を含む携帯電話機（ａ）と、実施の形態１の温度補償型水晶発振器が実装されたプリント基板（ｂ）を示す図である。
【０１０９】
図１０（ａ）に示す携帯電話機５０は、通信用の回路等が実装されたプリント基板６０を含む。プリント基板６０には、通信回路６１と温度補償型水晶発振器１００が実装されている。
【０１１０】
携帯電話機５０は、小型化や多機能化に伴い内部のスペースが限られているため、温度補償型水晶発振器１００が熱源の近くに配設される場合もあり得る。典型的な熱源としては、図９に示すようなパワーアンプが挙げられる。パワーアンプは、携帯電話機５０が通信を行っていない場合には殆ど発熱しないが、通信が開始されると急激に温度が上昇するため、温度補償型水晶発振器１００が急激な熱伝導を受けて温度が急激に上昇することがある。
【０１１１】
しかしながら、このような場合でも、実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００では、温度センサ４で得られる温度情報を遅延させることにより、水晶振動子２の温度を正確に導出することができるため、発振周波数を正確に温度補償することができる。
【０１１２】
このため、携帯電話機５０の通信又は種々の演算処理を正確に行うことができる。
【０１１３】
特に、温度補償型水晶発振器１００の発振信号を携帯電話機５０の基準クロック信号として用いる場合、又は、ＧＰＳ（Global Positioning System：全地球測位システム）機能の基準クロックとして用いる場合等には、クロック信号に非常に高い精度が要求される。
【０１１４】
このため、実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００を携帯電話機５０に用いることは、特にクロック信号に高い精度が求められるような機種では、非常に有効的である。
【０１１５】
なお、図１０には、温度補償型水晶発振器１００を搭載した電子機器の一例として携帯電話機５０を示したが、温度補償型水晶発振器１００を搭載可能な電子機器は、携帯電話機５０に限られるものではない。
【０１１６】
［実施の形態２］
図１１及び図１２は、実施の形態２の温度補償型水晶発振器２００の構成を示す図である。図１１では水晶振動子２、励振電極２Ａ、及び兼用電極２１０を断面で示し、図１２では、励振電極２Ａ、及び兼用電極２１０を回路記号で示す。
【０１１７】
実施の形態２の温度補償型水晶発振器２００は、第１電極である兼用電極２１０の構造が実施の形態１と異なる。
【０１１８】
図１１に示すように、兼用電極２１０は、水晶振動子２の温度を検出するための検温用電極２１１、絶縁層２１２、及び、水晶振動子２に電圧を印加するための印加用電極２１３の積層体である。
【０１１９】
検温用電極２１１は、補正回路４０と温度補償用の閉回路を形成するように接続されている。
【０１２０】
印加用電極２１３は、励振電極２Ａと対をなして可変容量コンデンサ３１及びインバータ３２と発振回路用のループを形成するように接続されている。
【０１２１】
なお、検温用電極２１１と印加用電極２１３とは絶縁層２１２によって絶縁されており、温度補償用の閉回路と、発振回路用のループとは電気的に絶縁分離されているため、実施の形態１のように交流遮断用のコイルを配設する必要はない。
【０１２２】
また、兼用電極２１０が水晶振動子２の表面上に配設される位置は、実施の形態１の兼用電極１１０と同一である。
【０１２３】
また、検温用電極２１１は、水晶振動子２の温度を検出できる検温素子であればよく、例えば、ニクロム薄膜を用いることができる。絶縁層２１２は、検温用電極２１１と印加用電極２１３を電気的に絶縁できる薄膜層であればよく、例えば、酸化シリコン層を用いることができる。印加用電極２１３は、励振電極２Ａと対をなして水晶振動子２に電圧を印加できる薄膜電極であればよく、例えば、金（Ａｕ）製の薄膜を用いることができる。
【０１２４】
ここで、検温用電極２１１としてのニクロム薄膜、絶縁層２１２としての酸化シリコン層、及び、印加用電極２１３としての金薄膜は、例えば、蒸着法又はスパッタリング法で順次作製することができる。すなわち、水晶振動子２の表面上に検温用電極２１１を形成し後に、検温用電極２１１の上に絶縁層２１２を形成し、絶縁層２１２の上に、印加用電極２１３を形成することにより、兼用電極２１０を作製することができる。
【０１２５】
なお、検温用電極２１１、絶縁層２１２、及び印加用電極２１３の材質及び作製方法は、上述ものに限定されるものではない。
【０１２６】
このような構造の温度補償型水晶発振器２００の兼用電極２１０及び励振電極２Ａを回路記号で示すと、図１２に示す通りとなる。兼用電極２１０の検温用電極２１１と印加用電極２１３は絶縁分離されているため、補正回路４０を含む温度補償用の閉回路と、可変容量コンデンサ３１及びインバータ３２を含む発振回路用のループとは、完全に絶縁分離されている。
【０１２７】
補正回路４０には、検温用電極２１１で検出された温度に応じた直流電流が流れ、この直流電流は、補正回路４０で補償電流値に変換されて出力される。そして、可変容量コンデンサ３１の静電容量は、検温用電極２１１で正確に検出された温度（温度を表す電流値）に基づいて正確に制御される。このため、可変容量コンデンサ３１及びインバータ３２を含む発振回路で発振される発振周波数は、水晶振動子２の温度に応じて正確に温度補償が行われる。
【０１２８】
以上より、実施の形態２によれば、環境温度が急激に変動しても、熱源に近い温度センサ４で得られる温度情報を遅延させることにより、熱伝導の遅延時間と制御遅れ時間の影響を抑制し、水晶振動子２の温度を正確に導出することができる。このため、発振周波数を正確に温度補償することができる温度補償型水晶発振器２００を提供することができる。実施の形態２の温度補償型水晶発振器２００は、特に、制御遅れが問題になるような高速処理にも対応可能である。
【０１２９】
［実施の形態３］
図１３及び図１４は、実施の形態３の温度補償型水晶発振器３００の構成を示す図である。図１３では水晶振動子２、励振電極２Ａ、２Ｂ、及び温度センサ３１０を斜視で示し、図１４では、水晶振動子２、励振電極２Ａ、２Ｂ、及び温度センサ３１０を回路記号で示す。
【０１３０】
実施の形態３の温度補償型水晶発振器３００は、水晶振動子２に一対の励振電極２Ａ、２Ｂが配設されるとともに、励振電極２Ｂが配設されている面側に、水晶振動子２の温度を検出する第２検温素子としての温度センサ３１０が配設される点が実施の形態１と異なる。
【０１３１】
励振電極２Ａは、水晶振動子２の下面の略中心に配設されており、平面視で楕円形の電極部２ａにストライプ状の延伸部２ｂが接続された形状である。
【０１３２】
また、励振電極２Ｂは、水晶振動子２の上面の略中心に配設されており、平面視で楕円形の電極部２ｃにストライプ状の延伸部２ｄが接続された形状である。
【０１３３】
このように、励振電極２Ａと２Ｂの構造は、全く同一である。
【０１３４】
温度センサ３１０は、水晶振動子２の上面（励振電極２Ｂが配設される面）において、励振電極２Ｂとは絶縁分離された状態で、水晶振動子２の上面の端部に沿って形成された平面視コの字型の温度センサである。
【０１３５】
温度センサ３１０は、水晶振動子２の温度を検出できる検温素子であればよく、例えば、ニクロム薄膜を用いることができる。このようなニクロム薄膜は、スパッタリング法又は蒸着法によって作製することができるが、材質及び作製方法は、ここに示すものに限られず、他の材質又は作製方法を用いてもよい。
【０１３６】
なお、図１３には、水晶振動子２の上面（励振電極２Ｂが配設される面）の端部に沿って平面視でコの字型に作製された温度センサ３１０を示すが、温度センサ３１０の形状は、平面視でコの字型のものに限られず、他の形状であってもよい。また、温度センサ３１０が配設される位置は、水晶振動子２の表面上であればよく、図１３に示す位置に限られない。ただし、水晶振動子２は、所定の固有振動数で発振を行う必要があるため、温度センサ３１０の質量又は配設される位置は、固有振動数を考慮して決定される必要がある。
【０１３７】
励振電極２Ａの延伸部２ｂはインバータ３２の出力側に接続され、励振電極２Ｂの延伸部２ｄは可変容量コンデンサ３１の入力側に接続される。これにより、励振電極２Ａ、２Ｂ、可変容量コンデンサ３１、及びインバータ３２を含む発振回路用のループが形成される。
【０１３８】
また、コの字型の温度センサ３１０の両方の端部３１０ａ、３１０ｂの間には、補正回路４０が接続され、温度補償用の閉回路が形成される。
【０１３９】
なお、図１３に示すように、温度補償用の閉回路と、発振回路用のループとは電気的に絶縁分離されているため、実施の形態１のように交流遮断用のコイルを配設する必要はない。
【０１４０】
このような構造の温度補償型水晶発振器３００の温度センサ３１０と励振電極２Ａ及び２Ｂを回路記号で示すと、図１４に示す通りとなる。励振電極２Ｂと温度センサ３１０は絶縁分離されているため、補正回路４０を含む温度補償用の閉回路と、可変容量コンデンサ３１及びインバータ３２を含む発振回路用のループとは、完全に絶縁分離されている。
【０１４１】
補正回路４０には、温度センサ３１０で検出された温度に応じた直流電流が流れ、この直流電流は、補正回路４０で補償電流値に変換されて出力される。そして、可変容量コンデンサ３１の静電容量は、温度センサ３１０で正確に検出された温度（温度を表す電流値）に基づいて正確に制御される。このため、可変容量コンデンサ３１及びインバータ３２を含む発振回路で発振される発振周波数は、水晶振動子２の温度に応じて正確に温度補償が行われる。
【０１４２】
以上より、実施の形態３によれば、環境温度が急激に変動しても、熱源に近い温度センサ４で得られる温度情報を遅延させることにより、熱伝導の遅延時間と制御遅れ時間の影響を抑制し、水晶振動子２の温度を正確に導出することができる。このため、発振周波数を正確に温度補償することができる温度補償型水晶発振器３００を提供することができる。実施の形態３の温度補償型水晶発振器３００は、特に、制御遅れが問題になるような高速処理にも対応可能である。
【０１４３】
なお、実施の形態３では、一つの温度センサ３１０が水晶振動子２に取り付けられている形態について説明したが、温度センサ３１０は、複数取り付けられていてもよい。
【０１４４】
以上、本発明の例示的な実施の形態の温度補償型水晶発振器、温度補償型水晶発振器を実装したプリント基板、及び温度補償型水晶発振器を搭載した電子機器について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
【符号の説明】
【０１４５】
１ 筐体
１Ａ 蓋部
２ 水晶振動子
２Ａ 励振電極
２ａ、２ｃ 電極部
２ｂ、２ｄ 延伸部
３ ＩＣ
３１ 可変容量コンデンサ
３２ インバータ
３３ 出力バッファ回路
４０ 補正回路
４１ 選択部
４２ 遅延部
４３ 遅延切替制御部
４４ 補正部
４５ メモリ
５０ 携帯電話機
６０ プリント基板
６１ 通信回路
１００、２００、３００ 温度補償型水晶発振器
１１０、２１０ 兼用電極
１１０ａ 電極部
１１０ｂ、１１０ｃ 延伸部
１１１ コイル
２１１ 検温用電極
２１２ 絶縁層
２１３ 印加用電極
３１０ 温度センサ
３１０ａ、３１０ｂ 端部
【技術分野】
【０００１】
通信機器、又は情報機器等の電子機器に用いられ、環境温度の変動による発振周波数の変動を補償する機能を有する温度補償型水晶発振器、温度補償型水晶発振器を実装したプリント基板、及び温度補償型水晶発振器を搭載した電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ：Temperature Compensated Xtal Oscillator）は、通信機器又は情報機器等の様々な電子機器に用いられている。
【０００３】
図１は、従来の温度補償型水晶発振器の断面構造を示す図である。従来の温度補償型水晶発振器は、筐体１の内部に配設される水晶振動子２及びＩＣ（Integrated Circuit：集積回路）３を含む。この水晶振動子２は、図１に示されるように、水晶片２１と、該水晶片２１に接続される一対の励振電極２２、２３を有する。
【０００４】
また、筐体１は、蓋部１Ａを有するセラミック製の筐体であり、水晶振動子２及びＩＣ３が内部に配設されて乾燥窒素が充填された状態で密封されている。
【０００５】
また、水晶振動子２の水晶片２１は、筐体１の内部空間の略中心部に位置するように、筐体１の内壁１Ｂに接続されている。水晶片２１は、例えば、ＡＴカットにより所望の固有振動数が得られる厚さに成形されており、一対の励振電極２２、２３が形成されている。励振電極２２、２３としては、金（Ａｕ）製の薄膜電極を用いる。
【０００６】
ＩＣ３は、筐体１の内部空間の底部に配設されている。また、温度センサ４は、ＩＣ３の温度に応じて抵抗値が変化する検温素子であり、例えば、ニクロム線を用いることができる。
【０００７】
図２は、図１で示した従来の温度補償型水晶発振器の回路を示す図である。
【０００８】
ＩＣ３は、可変容量コンデンサ３１、インバータ３２、出力バッファ回路３３、補正回路３４、及びメモリ３５を含む。
【０００９】
可変容量コンデンサ３１及びインバータ３２は、水晶振動子の励振電極２２、２３に接続され、水晶振動子２を含むループ状の発振回路を形成している。
【００１０】
また、出力バッファ回路３３は、発振回路で得られた発振信号をクロック信号に変換して外部に出力する回路である。出力バッファ回路３３は、実際には複数のインバータを含むことが多いが、説明の便宜上、図２では一つのインバータとして示す。
【００１１】
可変容量コンデンサ３１は、静電容量を変更可能な可変容量素子であり、ループ状の発振回路の静電容量値を変更可能にするために、発振回路に直列に挿入されているものである。本明細書に記載する可変容量コンデンサ３１は、バリキャップダイオード（varicap diode）などの可変容量コンデンサを用いて形成したものであり、補正回路３４からの印加電圧に応じて、その静電容量が可変されるものである。
【００１２】
また、メモリ３５は、ＩＣ３に内蔵されるメモリであり、温度信号を表す電流値を補正回路３４を可変容量コンデンサ３１へ印加する電流値に変換する際に用いる該水晶振動子２の周波数温度特性の逆特性を表すデータを格納しており、補正回路３４は、このメモリ３５を参照して温度センサ４で検出される温度を表す温度信号（電流値）に応じた前記可変容量コンデンサ３１への電圧を印加するものである。この補正回路３４は、たとえば特開２００８−３００９７８（特に図３）に示すような回路構成となっている。
【００１３】
以上の構成により、温度センサ４で検出される温度が変化すると、可変容量コンデンサ３１の静電容量が調節されるため、発振周波数は、温度変化に対して安定するように制御される。
【００１４】
このような温度補償型水晶発振器の出力バッファ回路３３から出力されるクロック信号は、例えば、電子機器に含まれるＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算装置）又は通信部等で用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】登録実用新案第２５０３８３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
電子機器の小型化に伴い、温度補償型水晶発振器が用いられる電子機器では実装の高密度化が進んでいる。特に、携帯電話等の携帯機器では、高密度の実装が行われる。
【００１７】
このような高密度実装を実現するためには、電子機器の内部における設計の自由度は大幅に制約され、携帯電話機の送信ユニットなどの発熱部品の近傍に温度補償型水晶発振器を実装しなければならないケースがある。
【００１８】
携帯電話機の送信ユニットの場合、通信を行う際に急激に温度が上昇する。
【００１９】
この送信ユニットで発生した熱は、主に基板を介して温度補償型水晶発信器へ伝わるため、上記従来の構成のように、温度センサが基板近くに設置されている場合は、温度センサが水晶振動子より先に温度が上昇することになる。このため、温度センサが検出した温度と水晶振動子との間で温度差が生じるため、温度補正が正確に行われず、温度補償型水晶発信器からの出力周波数が変化してしまう。これに対応するために、水晶発振子に直接温度センサを搭載することも考えられる。
【００２０】
しかしながら、上記したような急激な温度変化が生じた場合、水晶発振子は、急速に過熱されるため、水晶振動子の温度変化を検出するのでは、温度変化に追従できないことがある。
【００２１】
本実施例に基づく発明では、このような急激な温度変化が生じる場合においても、発振周波数を補償することのできる温度補償型水晶発振器、温度補償型水晶発振器を実装したプリント基板、及び温度補償型水晶発振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】
【００２２】
本実施の形態では、上記従来の課題を解決するために、水晶振動子と、前記水晶振動子上に形成された抵抗体と、前記水晶発振子より基板の設置位置よりに配設される検温手段と、前記抵抗体を流れる電流値と前記検温素子の出力とに基づき前記発振周波数を補正する補正手段とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
急激に温度変化が生じた場合、水晶振動子と検温手段との間には温度差が生じるが、上記した構成によれば、水晶振動子より基板に近い位置の温度と水晶振動子の温度との差に基づく温度補正が可能であるため、急激な温度変化に追従可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】従来の一般的な温度補償型水晶発振器の断面構造を示す図である
【図２】従来の一般的な温度補償型水晶発振器の構成を示す図である。
【図３】実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００の断面構造を示す図である。
【図４】実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００の構成を示す図である。
【図５】実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００の構成を示す図である。
【図６】実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００の遅延切替制御部４３による遅延処理の切替制御の手順を示す図である。
【図７】兼用電極１１０の温度が急激に上昇した場合に、制御遅れによって発振周波数に変動が生じることを概念的に示す特性図である。
【図８】実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００において、温度センサ４から出力される温度情報を遅延させる処理を概念的に示す特性図である。
【図９】実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００が熱源ＰＡから熱伝導を受ける際の温度分布を示す図である。
【図１０】実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００を含む携帯電話機（ａ）と、実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００が実装されたプリント基板（ｂ）を示す図である。
【図１１】実施の形態２の温度補償型水晶発振器２００の構成を示す図である。
【図１２】実施の形態２の温度補償型水晶発振器２００の構成を示す図である。
【図１３】実施の形態３の温度補償型水晶発振器３００の構成を示す図である。
【図１４】実施の形態３の温度補償型水晶発振器３００の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の温度補償型水晶発振器、温度補償型水晶発振器を実装したプリント基板、及び温度補償型水晶発振器を搭載した電子機器を適用した実施の形態について説明する。
【００２６】
［実施の形態１］
図３は、実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００の断面構造を示す図である。
【００２７】
なお、従来の一般的な温度補償型水晶発振器と同一の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。
【００２８】
実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００は、筐体１の内部に水晶振動子２、励振電極２Ａ、ＩＣ３、温度センサ４、及び兼用電極１１０を含む。
【００２９】
兼用電極１１０は、水晶振動子２の上面側に配設され、水晶振動子２の温度を直接検出できる第１検温素子であるとともに、水晶振動子２の下面側に配設される励振電極２Ａと対をなす励振電極であればよい。すなわち、兼用電極１１０は、水晶振動子２の温度を検出するための温度センサ（第１検温素子）と、水晶振動子２の励振電極のうちの一方とを兼用する電極である。この兼用電極１１０は、水晶振動子２の温度を検出できる薄膜電極であればよく、例えば、ニクロム（Ｎｉ−Ｃｒ：ニッケルとクロムを含む合金）薄膜を用いることができる。
【００３０】
また、実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００では、ＩＣ３の上に配設される温度センサ４は、第１検温素子としての兼用電極１１０より基板よりの位置に配設される第２検温素子である。
【００３１】
このように、実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００は、水晶振動子２の温度を検出するための２つの検温素子として、ＩＣ３の上に配設される温度センサ４と、兼用電極１１０とを有する。
【００３２】
また、ここでは、励振電極２Ａとして金薄膜を用いる形態について説明するが、励振電極２Ａの材質は金に限られず、銀（Ａｇ）又はアルミニウム（Ａｌ）等を用いてもよい。
【００３３】
なお、実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００では、従来の一般的な温度補償型水晶発振器において水晶振動子２の上面側に配設されていた励振電極２Ｂ（図１参照）を兼用電極１１０に変更した構造を有するため、兼用電極１１０の質量は、水晶振動子２の固有周波数に影響が生じないように調整される必要がある。
【００３４】
図４及び図５は、実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００の構成を示す図である。
【００３５】
図４（ａ）では水晶振動子２、励振電極２Ａ、及び兼用電極１１０を斜視で示し、図４（ｂ）では水晶振動子２、励振電極２Ａ、及び兼用電極１１０を断面で示す。また、図５では、励振電極２Ａ及び兼用電極１１０を回路記号で示す。なお、図示の便宜上、図４（ａ）と図４（ｂ）では、水晶振動子２の向きが天地逆になっている。
【００３６】
実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００は、補正回路補正回路４０を有する。この補正回路４０は、ＩＣ３の一部として実現され、従来の一般的な温度補償型水晶発振器におけるメモリ３５（図２参照）に相当するメモリ４５を含む。補正回路４０の詳細については後述する。
【００３７】
図４（ａ）に示すように、第１電極としての兼用電極１１０は、平板状の水晶振動子２の上面側（基板搭載側とは反対側の面）に配設される。また、第２電極としての励振電極２Ａは、平板状の水晶振動子２の下面側（基板搭載側の面）に配設される。
【００３８】
励振電極２Ａは、水晶振動子２の下面の略中心に配設されており、平面視で楕円形の電極部２ａの長軸上にストライプ状の延伸部２ｂが接続された形状である。
【００３９】
兼用電極１１０は、水晶振動子２の上面の略中心に配設されており、平面視で楕円形の電極部１１０ａの長軸上にストライプ状の一対の延伸部１１０ｂ、１１０ｃが接続された形状である。
【００４０】
兼用電極１１０の延伸部１１０ｂ及び１１０ｃは、交流遮断用のコイル１１１を介して補正回路４０と接続されている。
【００４１】
また、兼用電極１１０の延伸部１１０ｂは、可変容量コンデンサ３１の入力側に接続されており、励振電極２Ａの延伸部２ｂは、インバータ３２の出力側に接続されている。これにより、兼用電極１１０は、励振電極２Ａと対をなして可変容量コンデンサコンデンサ３１及びインバータ３２と発振回路用のループを形成するように接続されている。
【００４２】
また、インバータ３２の出力側には出力バッファ回路３３が接続される。出力バッファ回路３３から出力される発振信号は、温度補償型水晶発振器１００の最終出力となる。
【００４３】
補正回路４０は、選択部４１、遅延部４２、遅延切替制御部４３、補正部４４、及びメモリ４５を備え、ＩＣ３の一部として実現される回路である。
【００４４】
このうち、メモリ３５は、ＩＣ３に内蔵されるメモリであり、温度信号を表す電流値を補正回路４０を可変容量コンデンサ３１へ印加する電流値に変換する際に用いる該水晶振動子２の周波数温度特性の逆特性を表すデータを格納しており、補正回路３４は、このメモリ３５を参照して温度センサ４及び兼用電極１１０で検出される温度を表す温度信号（電流値）に応じた前記可変容量コンデンサ３１への電圧を印加するものである。
【００４５】
なお、この実施の形態では、温度センサ４及び兼用電極１１０との抵抗値は、同一抵抗値とし、かつ、材料はどちらもニクロムにて形成するものとする。
【００４６】
選択部４１には温度センサ４と兼用電極１１０が接続されている。選択部４１は、温度センサ４と兼用電極１１０の検出温度の差を閾値と比較する比較器と、比較結果に応じて選択部４１の出力を選択的に切り替える切替スイッチを含む。選択部４１は、切替スイッチを切り替えることにより、温度センサ４又は兼用電極１１０のいずれかで検出される温度を表す温度情報としての電流値を選択して出力する。
【００４７】
具体的には、選択部４１は、温度センサ４と兼用電極１１０の検出温度の差が閾値以上である場合には、温度センサ４で検出される温度を表す温度情報としての電流値を出力する。
【００４８】
一方、選択部４１は、温度センサ４と兼用電極１１０の検出温度の差が閾値未満である場合には、兼用電極１１０で検出される温度を表す温度情報としての電流値を出力する。
【００４９】
このように、温度センサ４と兼用電極１１０の検出温度の差が閾値以上であるか否かの判定を制御サイクル毎に行うことにより、検出温度の差の上昇度合を監視することができる。そして、検出温度の差の上昇度合を監視することは、温度センサ４の検出温度の上昇度合が、兼用電極１１０の検出温度の上昇度合よりも所定度合い以上大きいか否かを監視することになる。
【００５０】
なお、比較器での比較は、温度センサ４と兼用電極１１０の検出温度の差を表す電流値と、閾値を表す電流値との比較によって行われる。
【００５１】
遅延部４２は、入力信号を遅延させて出力することのできる遅延回路であり、例えば、デジタルディレイラインを用いることができる。遅延部４２で入力信号の遅延処理を実行するか否かの切り替えは、遅延切替制御部４３によって行われる。
【００５２】
具体的には、選択部４１から出力される電流値が温度センサ４で検出された温度であると遅延切替制御部４３によって判定された場合は、遅延部４２は遅延処理を実行する状態に切り替えられる。この場合、遅延部４２は、温度センサ４で検出された温度を表す電流値を所定時間だけ遅延させて出力する。この補正の結果、補正部４４では、温度センサ４で検出された温度に基づいた電圧を可変容量コンデンサ３１に印加することになる。
【００５３】
一方、選択部４１から出力される電流値が兼用電極１１０からの出力であった場合は、遅延部４２は遅延処理を実行しない状態に切り替えられる。この場合、遅延部４２は、兼用電極１１０で検出された温度を表す電流値を遅延させずにそのまま出力する。この結果、補正部４４では、兼用電極１１０で検出された温度に基づいた電圧が可変容量コンデンサ３１に印加される。
【００５４】
なお、このような遅延部４２における遅延処理の実行／不実行の切替処理は、遅延切替制御部４３が選択部４１の選択状態を検出することによって実行される。
【００５５】
また、遅延部４２が入力信号を遅延させる遅延時間は、温度センサ４の検出温度の方が兼用電極１１０の検出温度よりも高く、検出温度同士の差が所定値以上である場合に、温度センサ４の検出温度と同一の温度を兼用電極１１０が検出するまでの遅延時間から、フィードバック制御の遅れ時間を減算した時間に設定されている。
【００５６】
ここで、フィードバック制御の遅れ時間（制御遅れ時間）は、兼用電極１１０で検出された温度を表す電流値が補正回路４０に伝達され、補正電圧によって可変容量コンデンサ３１の静電容量が変更されるまでの制御に必要な時間である。
【００５７】
すなわち、遅延部４２が入力信号を遅延させる所定時間は、温度センサ４に対する兼用電極１１０の熱伝導の遅延時間から、制御遅れ時間を減算した時間に設定される。
【００５８】
このように熱伝導の遅延時間を考慮するのは、パワーアンプのような熱源の温度が急激に上昇し、プリント基板を介して熱伝導を受ける場合に、プリント基板により近い温度センサ４の方が先に温度が上昇し、兼用電極１１０の温度上昇が遅れるためである。
【００５９】
これにより、急激な温度上昇が生じた場合でも、温度センサ４で検出された温度情報（電流値）を所定時間だけ遅延させて、補正回路に入力させることにより、水晶振動子２の実際の温度に近い温度を導出することができる。
【００６０】
なお、温度センサ４に対する兼用電極１１０の熱伝導の遅延時間は、温度補償型水晶発振器１００の構造による固有の時間となるため、温度補償を行う前に予め計測しておけばよい。また、制御遅れ時間は、例えば、補正回路４０の制御サイクルに基づいて導出すればよい。
【００６１】
なお、遅延切替制御部４３は、例えば、ＣＰＵで実現することができる。
【００６２】
なお、遅延切替制御部４３の判定処理の詳細については、図６を用いて後述する。
【００６３】
補正部４４は、後述するメモリ４５に格納された水晶振動子２の周波数温度特性の逆特性を用いて、遅延部４２から入力される電流値を水晶振動子２の周波数温度特性とは逆特性となる補償電圧に変換して出力する。補正部４４から出力される補償電圧は、補正回路４０の出力として可変容量コンデンサ３１に供給される。
【００６４】
補正回路４０から出力される補償電圧は、可変容量コンデンサ３１に供給され、可変容量コンデンサ３１の静電容量が制御される。
【００６５】
すなわち、可変容量コンデンサ３１の静電容量は、温度センサ４又は兼用電極１１０のいずれかで検出される温度に基づいて制御されることになり、環境温度が変動しても、発振回路で発振する発振信号の発振周波数の変動が少なくなるように温度補償が行われることとなる。
【００６６】
このように、実施の形態１では、温度センサ４で検出される温度の上昇度合が兼用電極１１０で検出される温度の上昇度合よりも所定度合以上大きいか否かの判定を行うために、温度センサ４と兼用電極１１０の検出温度の差の時間的な上昇度合を選択部４１が監視する。
【００６７】
しかしながら、温度センサ４で検出される温度の上昇度合が兼用電極１１０で検出される温度の上昇度合よりも所定度合以上大きいか否かの判定は、検出温度の差の時間的な変化度合に基づく判定に限定されるものではない。
【００６８】
例えば、温度センサ４で検出される温度の上昇度合と、兼用電極１１０で検出される温度の上昇度合とをそれぞれ監視し、上昇度合同士の差が所定度合以上であるか否かを判定してもよい。
【００６９】
図４（ｂ）では、説明の便宜上、励振電極２Ａの延伸部２ｂ、兼用電極１１０の延伸部１１０ｂ及び１１０ｃを省略し、水晶振動子２に対する励振電極２Ａと兼用電極１１０の厚さ方向のスケールを拡大して示す。
【００７０】
なお、水晶振動子２は、所定の固有振動数で振動するように結晶の切断方位と寸法が設定される。水晶振動子２の寸法は、例えば、長さ（図中横方向）３．２ｍｍ、幅（図面を貫く方向）２．５ｍｍ、厚さ１ｍｍである。また、兼用電極１１０は、例えば、厚さが０．１μｍ程度のニクロム薄膜であり、スパッタリング法又は蒸着法等によって水晶振動子２に作製される。なお、水晶振動子２の下面とＩＣ３の上面との間隔は、例えば、０．３ｍｍ程度である。ただし、これらの数値は一例に過ぎず、水晶振動子２の寸法、又は、水晶振動子２の下面とＩＣ３の上面との間隔は、発振周波数及びその他の設計事項に応じて設定される。
【００７１】
図４（ｂ）においても、兼用電極１１０は、補正回路４０及びコイル１１１を含む閉回路の一部であるとともに、励振電極２Ａと対をなして、可変容量コンデンサ３１及びインバータ３２を含むループを形成していることが示されている。
【００７２】
また、図５に回路記号で示すように、兼用電極１１０には、補正回路４０及びコイル１１１を含む回路と、可変容量コンデンサ３１を含む回路とが接続されているため、兼用電極１１０には、水晶振動子２の温度に応じた直流電流が流れるとともに、発振信号（交流成分）が流れる。
【００７３】
しかしながら、コイル１１１で交流成分が遮断されるため、補正回路４０及びコイル１１１を含む閉回路には直流電流のみが流れ、補正回路４０には兼用電極１１０で検出される温度を表す電流値のみが入力されることになる。
【００７４】
また、可変容量コンデンサ３１で直流電流が遮断されるため、インバータ３２には交流成分である発振信号のみが入力される。
【００７５】
図６は、実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００の遅延切替制御部４３による遅延処理の切替制御の手順を示す図である。
【００７６】
遅延切替制御部４３は、選択部４１から出力される電流値が温度センサ４又は兼用電極１１０のいずれで検出された温度であるかを判定する（ステップＳ１）。この判定は、上述のように、選択部４１が切替スイッチを切り替えるための制御指令に基づいて行われる。
【００７７】
温度センサ４で検出された温度であると判定した場合（ステップＳ１でＹｅｓ）は、遅延切替制御部４３は、遅延処理を実行する状態に遅延部４２を切り替える（ステップＳ２Ａ）。
【００７８】
急激な温度上昇により、兼用電極１１０によって検出される温度と水晶振動子２の実際の温度とに温度差が生じていると考えられるため、兼用電極１１０よりも熱的に上流側に位置する温度センサ４で検出された温度を用いて正確な温度補償を行うためである。
【００７９】
一方、兼用電極１１０で検出された温度であると判定した場合（ステップＳ１でＮｏ）は、遅延切替制御部４３は、遅延処理を実行しない状態に遅延部４２を切り替える（ステップＳ２Ａ）。
【００８０】
急激な温度上昇は生じておらず、兼用電極１１０によって検出される温度は水晶振動子２の実際の温度を表していると考えられるため、水晶振動子２に配設される兼用電極１１０で検出された温度を用いて正確な温度補償を行うためである。
【００８１】
以上のように、遅延切替制御部４３により、遅延部４２における遅延処理の実行／不実行の切り替えが行われる。
【００８２】
図７は、兼用電極１１０の温度が急激に上昇した場合に、制御遅れによって発振周波数に変動が生じることを概念的に示す特性図である。図７（ａ）において、縦軸は兼用電極１１０によって検出される温度を電流値として示し、横軸は時間軸を示す。また、図７（ｂ）において、縦軸は出力バッファ回路３３から出力される発振信号の周波数を示し、横軸は時間軸を示す。
【００８３】
なお、図７に示す特性は、比較説明用に示す特性であり、実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００において生じる動作を示すものではない。
【００８４】
時刻ｔ＝０において、兼用電極１１０に急激な温度上昇が生じ、この温度上昇の度合がフィードバック制御に制御遅れを生じさせる程度であるとする。
【００８５】
このとき、水晶振動子２の実際の温度は、実線で示すように上昇するが、兼用電極１１０で検出され、フィードバック制御に用いられる温度を表す電流値の特性は、一点鎖線で示すように、制御遅れの時間ｔ１だけ遅れて追従する。
【００８６】
このように、フィードバック制御に用いられる温度情報に制御遅れが生じると、可変容量コンデンサ３１の静電容量の制御が時間ｔ１だけ遅れるため、時刻ｔ＝０の直後に発振周波数に比較的大きな変動が生じる。
【００８７】
このような発振周波数の変動は、時刻ｔ＝ｔ２（＞＞ｔ１）程度まで続くため、発振周波数の温度補償が正確に行われない期間が生じる。
【００８８】
図８は、実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００において、温度センサ４から出力される温度情報としての電流値を遅延させる処理を概念的に示す特性図である。図８（ａ）において、縦軸は温度センサ４によって検出される温度と遅延された温度情報を電流値として示し、横軸は時間軸を示す。また、図８（ｂ）において、縦軸は出力バッファ回路３３から出力される発振信号の周波数を示し、横軸は時間軸を示す。図８に示す遅延処理は、遅延部４２によって実行される処理である。
【００８９】
実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００では、上述のように、温度センサ４と兼用電極１１０の検出温度の差が所定値以上である場合には、温度センサ４で検出される温度を表す電流値が選択部４１から出力される。
【００９０】
この場合、遅延部４２の遅延処理は、遅延切替制御部４３によって遅延処理を実行する状態に切り替えられるため、破線で示す温度センサ４の検出値は、所定時間ｔ３だけ遅延されて補正部４４に入力される。
【００９１】
ここで、温度センサ４と兼用電極１１０の検出温度の差が所定値以上である場合に、温度センサ４での検出温度と同一の温度を兼用電極１１０が検出するまでの熱伝導の遅延時間をｔ４とすると、遅延される所定時間ｔ３は、ｔ３＝ｔ４−ｔ１で表される。ｔ１は、上述のように、制御遅れ時間である。
【００９２】
このため、遅延部４２からは、温度センサ４によって出力される温度情報としての電流値が図８に一点鎖線で示すように時間ｔ３だけ遅延されたタイミングで出力され、補正部４４に入力される。
【００９３】
水晶振動子２の実際の温度は、図８に二点鎖線で示すように、温度センサ４で検出される温度に対して遅延時間ｔ４だけ遅れて上昇するので、制御遅れ時間ｔ１だけ早いタイミングで上昇する温度情報（図８の一点鎖線）を補正部４４に入力することにより、水晶振動子２の実際の温度変化を表す温度情報に基づく補償電圧を出力することができる。
【００９４】
これにより、実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００によれば、温度センサ４と兼用電極１１０との間における熱伝導の遅延時間と、制御遅れ時間との影響を抑制して、発振周波数の温度補償を正確に行うことができる。
【００９５】
なお、実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００では、図８に破線で示すように温度センサ４で温度が検出されても、熱伝導の遅延時間（ｔ４）から制御遅れ時間（ｔ１）を減じた所定時間（ｔ３）だけ遅延させた一点鎖線で示す温度特性を用いて補償電圧を生成する。このため、時刻ｔ＝０で温度センサ４が温度を検出しても、時刻ｔ＝ｔ３までは温度補償は行われない。
【００９６】
また、温度センサ４と兼用電極１１０の検出温度の差が所定値未満になったときには、選択部４１の出力は、温度センサ４で検出された温度を表す電流値から兼用電極１１０で検出された温度を表す電流値に切り替わる。これは、温度センサ４の検出温度の上昇度合と兼用電極１１０の検出温度の上昇度合との差が所定値未満になるからである。
【００９７】
このため、図８に示すｔ５の前後のあたりで、補償電圧は兼用電極１１０で検出された温度を表す電流値に基づいて生成されることになる。
【００９８】
実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００によれは、急激な温度上昇が生じた場合でも、温度センサ４で得られる温度情報を遅延させることにより、水晶振動子２の温度を正確に把握することができる。
【００９９】
このため、温度上昇が急すぎて兼用電極１１０で得られる温度情報では制御遅れが生じてしまうような状況でも、水晶振動子２の温度を正確に導出して可変容量コンデンサ３１の静電容量を正確に制御することができる。
【０１００】
このため、実施の形態１によれば、環境温度が急激に変動しても、正確に発振周波数の温度補償を行うことのできる温度補償型水晶発振器１００を提供することができる。
【０１０１】
なお、以上では、補正回路４０が選択部４１、遅延部４２、遅延切替制御部４３、補正部４４、及びメモリ４５を含む形態について説明した。しかしながら、補正回路４０の回路構造は、温度センサ４の検出温度の上昇度合が兼用電極１１０の検出温度の上昇度合よりも所定度合い以上大きい場合に、温度センサ４の検出温度、熱伝導の遅延時間、及び制御遅れ時間に基づいて発振周波数の温度補償を行えるのであれば、上述の回路に限定されるものではない。
【０１０２】
図９は、実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００が熱源ＰＡから熱伝導を受ける際の温度分布を示す図である。図９において、濃く示す部分の方が薄く示す部分よりも温度が高いことを表す。
【０１０３】
温度補償型水晶発振器１００を収容する筐体１は、プリント基板Ｓの上に設置されており、プリント基板Ｓの裏面には、パワーアンプＰＡが実装されている。
【０１０４】
このパワーアンプＰＡは、温度補償型水晶発振器１００の外部熱源であり、例えば、携帯電話機等のように通信を行う電子機器に含まれる。このため、非通信時には殆ど発熱しないが、通信時には発熱する。特に、通信開始時には発熱量が多く、パワーアンプＰＡの温度は急激に上昇する。
【０１０５】
このように急激に温度が上昇すると、パワーアンプＰＡの熱が熱伝導によってプリント基板Ｓを経由し、筐体１に到達する。筐体１に到達した熱は、筐体１の底部側（プリント基板Ｓ側）から温度補償型水晶発振器１００に伝達される。
【０１０６】
このため、プリント基板Ｓに近いＩＣ３の方が、プリント基板Ｓよりも遠い水晶振動子２よりも温度が高くなる。この温度分布は、温度センサ４と兼用電極１１０の検出温度の差として現れる。
【０１０７】
実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００では、このように急激な温度上昇が生じた場合でも、対応が可能である。
【０１０８】
図１０は、実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００を含む携帯電話機（ａ）と、実施の形態１の温度補償型水晶発振器が実装されたプリント基板（ｂ）を示す図である。
【０１０９】
図１０（ａ）に示す携帯電話機５０は、通信用の回路等が実装されたプリント基板６０を含む。プリント基板６０には、通信回路６１と温度補償型水晶発振器１００が実装されている。
【０１１０】
携帯電話機５０は、小型化や多機能化に伴い内部のスペースが限られているため、温度補償型水晶発振器１００が熱源の近くに配設される場合もあり得る。典型的な熱源としては、図９に示すようなパワーアンプが挙げられる。パワーアンプは、携帯電話機５０が通信を行っていない場合には殆ど発熱しないが、通信が開始されると急激に温度が上昇するため、温度補償型水晶発振器１００が急激な熱伝導を受けて温度が急激に上昇することがある。
【０１１１】
しかしながら、このような場合でも、実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００では、温度センサ４で得られる温度情報を遅延させることにより、水晶振動子２の温度を正確に導出することができるため、発振周波数を正確に温度補償することができる。
【０１１２】
このため、携帯電話機５０の通信又は種々の演算処理を正確に行うことができる。
【０１１３】
特に、温度補償型水晶発振器１００の発振信号を携帯電話機５０の基準クロック信号として用いる場合、又は、ＧＰＳ（Global Positioning System：全地球測位システム）機能の基準クロックとして用いる場合等には、クロック信号に非常に高い精度が要求される。
【０１１４】
このため、実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００を携帯電話機５０に用いることは、特にクロック信号に高い精度が求められるような機種では、非常に有効的である。
【０１１５】
なお、図１０には、温度補償型水晶発振器１００を搭載した電子機器の一例として携帯電話機５０を示したが、温度補償型水晶発振器１００を搭載可能な電子機器は、携帯電話機５０に限られるものではない。
【０１１６】
［実施の形態２］
図１１及び図１２は、実施の形態２の温度補償型水晶発振器２００の構成を示す図である。図１１では水晶振動子２、励振電極２Ａ、及び兼用電極２１０を断面で示し、図１２では、励振電極２Ａ、及び兼用電極２１０を回路記号で示す。
【０１１７】
実施の形態２の温度補償型水晶発振器２００は、第１電極である兼用電極２１０の構造が実施の形態１と異なる。
【０１１８】
図１１に示すように、兼用電極２１０は、水晶振動子２の温度を検出するための検温用電極２１１、絶縁層２１２、及び、水晶振動子２に電圧を印加するための印加用電極２１３の積層体である。
【０１１９】
検温用電極２１１は、補正回路４０と温度補償用の閉回路を形成するように接続されている。
【０１２０】
印加用電極２１３は、励振電極２Ａと対をなして可変容量コンデンサ３１及びインバータ３２と発振回路用のループを形成するように接続されている。
【０１２１】
なお、検温用電極２１１と印加用電極２１３とは絶縁層２１２によって絶縁されており、温度補償用の閉回路と、発振回路用のループとは電気的に絶縁分離されているため、実施の形態１のように交流遮断用のコイルを配設する必要はない。
【０１２２】
また、兼用電極２１０が水晶振動子２の表面上に配設される位置は、実施の形態１の兼用電極１１０と同一である。
【０１２３】
また、検温用電極２１１は、水晶振動子２の温度を検出できる検温素子であればよく、例えば、ニクロム薄膜を用いることができる。絶縁層２１２は、検温用電極２１１と印加用電極２１３を電気的に絶縁できる薄膜層であればよく、例えば、酸化シリコン層を用いることができる。印加用電極２１３は、励振電極２Ａと対をなして水晶振動子２に電圧を印加できる薄膜電極であればよく、例えば、金（Ａｕ）製の薄膜を用いることができる。
【０１２４】
ここで、検温用電極２１１としてのニクロム薄膜、絶縁層２１２としての酸化シリコン層、及び、印加用電極２１３としての金薄膜は、例えば、蒸着法又はスパッタリング法で順次作製することができる。すなわち、水晶振動子２の表面上に検温用電極２１１を形成し後に、検温用電極２１１の上に絶縁層２１２を形成し、絶縁層２１２の上に、印加用電極２１３を形成することにより、兼用電極２１０を作製することができる。
【０１２５】
なお、検温用電極２１１、絶縁層２１２、及び印加用電極２１３の材質及び作製方法は、上述ものに限定されるものではない。
【０１２６】
このような構造の温度補償型水晶発振器２００の兼用電極２１０及び励振電極２Ａを回路記号で示すと、図１２に示す通りとなる。兼用電極２１０の検温用電極２１１と印加用電極２１３は絶縁分離されているため、補正回路４０を含む温度補償用の閉回路と、可変容量コンデンサ３１及びインバータ３２を含む発振回路用のループとは、完全に絶縁分離されている。
【０１２７】
補正回路４０には、検温用電極２１１で検出された温度に応じた直流電流が流れ、この直流電流は、補正回路４０で補償電流値に変換されて出力される。そして、可変容量コンデンサ３１の静電容量は、検温用電極２１１で正確に検出された温度（温度を表す電流値）に基づいて正確に制御される。このため、可変容量コンデンサ３１及びインバータ３２を含む発振回路で発振される発振周波数は、水晶振動子２の温度に応じて正確に温度補償が行われる。
【０１２８】
以上より、実施の形態２によれば、環境温度が急激に変動しても、熱源に近い温度センサ４で得られる温度情報を遅延させることにより、熱伝導の遅延時間と制御遅れ時間の影響を抑制し、水晶振動子２の温度を正確に導出することができる。このため、発振周波数を正確に温度補償することができる温度補償型水晶発振器２００を提供することができる。実施の形態２の温度補償型水晶発振器２００は、特に、制御遅れが問題になるような高速処理にも対応可能である。
【０１２９】
［実施の形態３］
図１３及び図１４は、実施の形態３の温度補償型水晶発振器３００の構成を示す図である。図１３では水晶振動子２、励振電極２Ａ、２Ｂ、及び温度センサ３１０を斜視で示し、図１４では、水晶振動子２、励振電極２Ａ、２Ｂ、及び温度センサ３１０を回路記号で示す。
【０１３０】
実施の形態３の温度補償型水晶発振器３００は、水晶振動子２に一対の励振電極２Ａ、２Ｂが配設されるとともに、励振電極２Ｂが配設されている面側に、水晶振動子２の温度を検出する第２検温素子としての温度センサ３１０が配設される点が実施の形態１と異なる。
【０１３１】
励振電極２Ａは、水晶振動子２の下面の略中心に配設されており、平面視で楕円形の電極部２ａにストライプ状の延伸部２ｂが接続された形状である。
【０１３２】
また、励振電極２Ｂは、水晶振動子２の上面の略中心に配設されており、平面視で楕円形の電極部２ｃにストライプ状の延伸部２ｄが接続された形状である。
【０１３３】
このように、励振電極２Ａと２Ｂの構造は、全く同一である。
【０１３４】
温度センサ３１０は、水晶振動子２の上面（励振電極２Ｂが配設される面）において、励振電極２Ｂとは絶縁分離された状態で、水晶振動子２の上面の端部に沿って形成された平面視コの字型の温度センサである。
【０１３５】
温度センサ３１０は、水晶振動子２の温度を検出できる検温素子であればよく、例えば、ニクロム薄膜を用いることができる。このようなニクロム薄膜は、スパッタリング法又は蒸着法によって作製することができるが、材質及び作製方法は、ここに示すものに限られず、他の材質又は作製方法を用いてもよい。
【０１３６】
なお、図１３には、水晶振動子２の上面（励振電極２Ｂが配設される面）の端部に沿って平面視でコの字型に作製された温度センサ３１０を示すが、温度センサ３１０の形状は、平面視でコの字型のものに限られず、他の形状であってもよい。また、温度センサ３１０が配設される位置は、水晶振動子２の表面上であればよく、図１３に示す位置に限られない。ただし、水晶振動子２は、所定の固有振動数で発振を行う必要があるため、温度センサ３１０の質量又は配設される位置は、固有振動数を考慮して決定される必要がある。
【０１３７】
励振電極２Ａの延伸部２ｂはインバータ３２の出力側に接続され、励振電極２Ｂの延伸部２ｄは可変容量コンデンサ３１の入力側に接続される。これにより、励振電極２Ａ、２Ｂ、可変容量コンデンサ３１、及びインバータ３２を含む発振回路用のループが形成される。
【０１３８】
また、コの字型の温度センサ３１０の両方の端部３１０ａ、３１０ｂの間には、補正回路４０が接続され、温度補償用の閉回路が形成される。
【０１３９】
なお、図１３に示すように、温度補償用の閉回路と、発振回路用のループとは電気的に絶縁分離されているため、実施の形態１のように交流遮断用のコイルを配設する必要はない。
【０１４０】
このような構造の温度補償型水晶発振器３００の温度センサ３１０と励振電極２Ａ及び２Ｂを回路記号で示すと、図１４に示す通りとなる。励振電極２Ｂと温度センサ３１０は絶縁分離されているため、補正回路４０を含む温度補償用の閉回路と、可変容量コンデンサ３１及びインバータ３２を含む発振回路用のループとは、完全に絶縁分離されている。
【０１４１】
補正回路４０には、温度センサ３１０で検出された温度に応じた直流電流が流れ、この直流電流は、補正回路４０で補償電流値に変換されて出力される。そして、可変容量コンデンサ３１の静電容量は、温度センサ３１０で正確に検出された温度（温度を表す電流値）に基づいて正確に制御される。このため、可変容量コンデンサ３１及びインバータ３２を含む発振回路で発振される発振周波数は、水晶振動子２の温度に応じて正確に温度補償が行われる。
【０１４２】
以上より、実施の形態３によれば、環境温度が急激に変動しても、熱源に近い温度センサ４で得られる温度情報を遅延させることにより、熱伝導の遅延時間と制御遅れ時間の影響を抑制し、水晶振動子２の温度を正確に導出することができる。このため、発振周波数を正確に温度補償することができる温度補償型水晶発振器３００を提供することができる。実施の形態３の温度補償型水晶発振器３００は、特に、制御遅れが問題になるような高速処理にも対応可能である。
【０１４３】
なお、実施の形態３では、一つの温度センサ３１０が水晶振動子２に取り付けられている形態について説明したが、温度センサ３１０は、複数取り付けられていてもよい。
【０１４４】
以上、本発明の例示的な実施の形態の温度補償型水晶発振器、温度補償型水晶発振器を実装したプリント基板、及び温度補償型水晶発振器を搭載した電子機器について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
【符号の説明】
【０１４５】
１ 筐体
１Ａ 蓋部
２ 水晶振動子
２Ａ 励振電極
２ａ、２ｃ 電極部
２ｂ、２ｄ 延伸部
３ ＩＣ
３１ 可変容量コンデンサ
３２ インバータ
３３ 出力バッファ回路
４０ 補正回路
４１ 選択部
４２ 遅延部
４３ 遅延切替制御部
４４ 補正部
４５ メモリ
５０ 携帯電話機
６０ プリント基板
６１ 通信回路
１００、２００、３００ 温度補償型水晶発振器
１１０、２１０ 兼用電極
１１０ａ 電極部
１１０ｂ、１１０ｃ 延伸部
１１１ コイル
２１１ 検温用電極
２１２ 絶縁層
２１３ 印加用電極
３１０ 温度センサ
３１０ａ、３１０ｂ 端部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に設置される温度補償型水晶発信器であって、
水晶振動子と、
前記水晶振動子上に形成された抵抗体と、
前記水晶発振子より基板の設置位置よりに配設される検温手段と、
補正回路前記抵抗体を流れる電流値と前記検温素子の出力とに基づき前記発振周波数を補正する補正手段と
を有する、温度補償型水晶発振器。
【請求項２】
前記抵抗体を流れる電流値、前記検温素子の出力、及び、発振周波数の補正量とを記憶した記憶手段を有し、
前記補正手段は、前記記憶手段を参照して、発振周波数の補正を行う事を特徴とする請求項１に記載の温度補償型水晶発信器。
【請求項３】
前記抵抗体は、前記水晶振動子の励磁電極であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の温度補償型水晶発信器。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の温度補償型水晶発振器を実装したプリント基板。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の温度補償型水晶発振器を搭載した電子機器。
【請求項１】
基板上に設置される温度補償型水晶発信器であって、
水晶振動子と、
前記水晶振動子上に形成された抵抗体と、
前記水晶発振子より基板の設置位置よりに配設される検温手段と、
補正回路前記抵抗体を流れる電流値と前記検温素子の出力とに基づき前記発振周波数を補正する補正手段と
を有する、温度補償型水晶発振器。
【請求項２】
前記抵抗体を流れる電流値、前記検温素子の出力、及び、発振周波数の補正量とを記憶した記憶手段を有し、
前記補正手段は、前記記憶手段を参照して、発振周波数の補正を行う事を特徴とする請求項１に記載の温度補償型水晶発信器。
【請求項３】
前記抵抗体は、前記水晶振動子の励磁電極であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の温度補償型水晶発信器。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の温度補償型水晶発振器を実装したプリント基板。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の温度補償型水晶発振器を搭載した電子機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−２５８４９１（Ｐ２０１０−２５８４９１Ａ）
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１０２５６８（Ｐ２００９−１０２５６８）
【出願日】平成２１年４月２１日（２００９．４．２１）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月２１日（２００９．４．２１）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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