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】 正確かつ安定的に発振周波数の変動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】 水晶振動子を含む発振回路と、前記発振回路に直列に挿入される可変容量素子と、前記水晶振動子に蒸着され、前記水晶振動子の温度に応じて抵抗値が変化する感温回路素子と、前記感温回路素子に対し通電を行った際の電流値に基づき、前記可変容量素子の容量を補正する補正回路とを有する。
【解決手段】 水晶振動子を含む発振回路と、前記発振回路に直列に挿入される可変容量素子と、前記水晶振動子に蒸着され、前記水晶振動子の温度に応じて抵抗値が変化する感温回路素子と、前記感温回路素子に対し通電を行った際の電流値に基づき、前記可変容量素子の容量を補正する補正回路とを有する。
【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。
【０００７】
このＩＣ３の上面又は内部には、温度センサ４が配設されている。温度センサ４は、ＩＣ３の温度に応じて例えば抵抗値が変化する感温素子であり、例えば、ニクロム線を用いることができる。温度センサ４は、ＩＣ３の温度変化に応じて抵抗値が変化するため、温度に応じた値の電流が出力される。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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ループ状の発振回路を形成している。
【００１１】
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。
【００１２】
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）などの可変容量ダイオードで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。
【００１３】
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が可変容量コンデンサ３１へ印加する電圧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。
【００１４】
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。
【００１５】
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】
【００１６】
【特許文献１】特開２００８−３００９７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
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、カーナビゲーションシステム等では、スペースの制約が大きいため、高密度化が顕著である。
【００１８】
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る。
【００１９】
ところで、電子機器の内部には、たとえば、携帯電話の送信アンプのように高熱源となる電子部品が含まれる。この電子部品は、温度補償型水晶発振器とともにプリント基板に実装される。このため、電子部品等の配置を変更することによって熱源から温度補償型水晶発振器への熱伝導を低減することは困難になってきている。
【００２０】
また、設計の自由度が制約される一方で、電子機器の高性能化に伴い、温度補償型水晶発振器には更なる高精度化が必要とされている。
【００２１】
以上の理由により、温度補償型水晶発振器には、温度が変動する環境下において、発振周波数を高精度に補償することが求められている。
【００２２】
しかしながら、上記従来の温度補償型水晶発振器のように、水晶片２１とは離間して配設されるＩＣ３に温度センサ４が取り付けられる場合には、水晶片２１よりもＩＣ３の方がプリント基板に実装される熱源に近いので、熱伝導の遅れにより、温度センサ４で測定する温度と水晶片２１の実際の温度に差が生じる場合があった。熱伝導の遅れによる温度差は、熱源に急激な温度上昇が生じたときほど大きくなる傾向があった。
【００２３】
そして、このような熱伝導の遅れによる温度差は、発振周波数の変動を補償する際の制御誤差になるため、発振周波数の変動の補償を適切に行うことができない場合があった。
【００２４】
また、補正回路又はメモリをＩＣとは別にしたディスクリート型の従来の温度補償型水晶発振器においても、温度センサは水晶振動子から離間した位置に配設されていた。このため、熱伝導の遅れによる温度差は、補正回路とメモリをＩＣ内で一体化した温度補償型水晶発振器と同様に生じており、発振周波数の変動の補償を適切に行うことができない場合があった。
【００２５】
ここで、熱伝導の遅れによって生じる制御誤差を少なくするために、ニクロム線等の温度センサを水晶振動子に直接取り付けることが考えられるが、水晶振動子は、所望の発振周波数が得られるように、励振電極の質量及び取付位置等が設計されているため、ニクロム線等の温度センサを直に取り付けることは困難であった。
【００２６】
そこで、本実施の形態に基づく発明では、正確かつ安定的に発振周波数の変動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目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
本発明の実施の形態の一観点の温度補償型水晶発振器は、水晶振動子を含む発振回路と、前記発振回路に直列に挿入される可変容量素子と、前記水晶振動子に蒸着され、前記水晶振動子の温度に応じて抵抗値が変化する感温回路素子と、前記感温回路素子に対し通電を行った際の電流値に基づき、前記可変容量素子の容量を補正する補正回路とを有する。
【発明の効果】
【００２８】
水晶振動子に蒸着させた感温素子の出力を利用して測定するため、水晶振動子の温度をより直接的に反映させた温度補正を行うことが可能となり、間接的に検出を行っていた従来技術に比べてより正確に温度補償を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】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
【図２】従来の温度補償型水晶発振器の回路を示す図である。
【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の回路を示す図である。
【図５】実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００の回路を示す図である。
【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７】実施の形態２の温度補償型水晶発振器２００の回路を示す図である。
【図８】実施の形態２の温度補償型水晶発振器２００の回路を示す図である。
【図９】実施の形態３の温度補償型水晶発振器３００の回路を示す図である。
【図１０】実施の形態３の温度補償型水晶発振器３００の回路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
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。
【００３１】
［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。
【００３２】
なお、従来の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。
【００３３】
実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００は、筐体１と、筐体１の内部に配設される水晶振動子１０２及びＩＣ３とを含む。水晶振動子１０２は、水晶片２１、励振電極２２、及び兼用電極１１０を有する。
【００３４】
兼用電極１１０は、水晶片２１の温度を検出するための温度センサ（感温回路素子）と、水晶振動子１０２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としては、本実施の形態においては、水晶片２１の表面にニクロム（Ｎｉ−Ｃｒ：ニッケルとクロムを含む合金）薄膜形成している。この兼用電極１１０は、蒸着法又はスパッタリング法等により、水晶片２１の表面に形成することができる。
【００３５】
また、上記したように兼用電極１１０は、水晶振動子１０２の励振電極の一方であるため、兼用電極１１０の質量及び取付位置は、水晶振動子１０２の固有振動数に影響が生じないように水晶片の中央付近に形成することが望ましい。
【００３６】
また、本実施の形態では、兼用電極１１０と対をなす他方の励振電極２２として金の薄膜を用いる形態について説明するが、励振電極２２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。
【００３７】
なお、水晶片２１は、所定の固有振動数で振動するように、例えば、ＡＴカットにより結晶の切断方位と寸法が設定される。この水晶片２１の寸法は、本実施の形態では、長さ（図中横方向）３．２ｍｍ、幅（図面を貫く方向）２．５ｍｍ、厚さ１ｍｍとする。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とする。
【００３８】
水晶片２１の下面（基板搭載側面）とＩＣ３の上面（水晶片２１の下面との対向面）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、水晶片２１の寸法、又は、水晶片２１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。
【００３９】
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の回路を示す図である。
【００４０】
図４（ａ）では水晶片２１、励振電極２２、及び兼用電極１１０を斜視で示し、図４（ｂ）では水晶片２１、励振電極２２、及び兼用電極１１０を断面で示す。また、図５では、励振電極２２及び兼用電極１１０を回路記号で示す。
【００４１】
なお、図示の便宜上、図４（ａ）に示す水晶片２１は、図３及び図４（ｂ）に示す水晶片２１とは天地逆に明記している。このため、図４（ａ）では上側に示される面が水晶片２１の下面であり、下側に示される面が水晶片２１の上面となる。
【００４２】
この図４（ａ）に示すように、励振電極２２は、平板状の水晶片２１の下面側に配設され、兼用電極１１０は、平板状の水晶片２１の上面側に配設される。
【００４３】
この励振電極２２は、水晶片２１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２２ａの長軸上にストライプ状の延伸部２２ｂが接続された形状である。
【００４４】
また兼用電極１１０は、水晶片２１の上面の略中心（即ち、励振電極の対向位置）に配設されており、平面視で楕円形の電極部１１０ａの長軸上に一対の延伸部１１０ｂ、１１０ｃが接続された形状である。
【００４５】
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３４と温度検出用の閉回路を形成するように接続されている。
【００４６】
また、兼用電極１１０の延伸部１１０ｂは、可変容量コンデンサ３１の入力端に接続されており、励振電極２２の延伸部２２ｂは、インバータ３２の出力端に接続されている。これにより、兼用電極１１０は、励振電極の一方として、励振電極２２と対をなし、インバータ３２から供給される励振電流を水晶片２１に供給できるようにされている。
【００４７】
また、可変容量コンデンサ３１、インバータ３２、及び、水晶振動子１０２により、ループ状の発振回路を形成する。
【００４８】
なお、インバータ３２の出力側には、発振回路で得られる発振信号をクロック信号に変換して外部に出力するための出力回路である出力バッファ回路３３が接続され、補正回路３４には、水晶振動子１０２の周波数温度特性の逆特性を表すデータを格納するメモリ３５が接続されており、補正回路３４は、交流遮断用のコイル１１１を介して、可変容量コンデンサ３１を流れる電流の直流成分を検出し、メモリ３５を参照して兼用電極の直流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。
【００４９】
また、インバータ３２から励振電極２２、２３に励振電流が供給されると、水晶振動子１０２の水晶片２１が発振し、発振回路で発振信号が得られる。発振信号は、出力バッファ回路３３を介してクロック信号として出力される。
【００５０】
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、水晶振動子１０２を含む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配設されている。
【００５１】
可変容量コンデンサ３１は、例えば、バリキャップダイオードなどの可変容量ダイオードを使用して形成される。
【００５２】
兼用電極１１０で検出される水晶片２１の温度の変化に応じて可変容量コンデンサ３１に印加する電圧値を変えることにより、発振回路の発振周波数を調節することができる。
また、メモリ３５は、ＩＣ３に内蔵されるメモリであり、兼用電極１１０の直流電流値を可変容量コンデンサ３１へ印加する電圧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を参照して兼用電極１１０の直流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。
【００５３】
以上の構成により、兼用電極１１０で検出される温度が変化すると、温度変化を表す温度信号が補正回路３４に入力され、補正回路３４は、メモリ３５に格納された周波数温度特性の逆特性を表すデータを参照し、可変容量コンデンサ３１に対し、対応する印加電圧を印加し、結果として、発振回路の発振周波数の補正が行われ温度変化に対して安定した周波数の出力が行われるようになる。
【００５４】
図４（ｂ）及び図５では、説明の便宜上、励振電極２２の延伸部２２ｂ、兼用電極１１０の延伸部１１０ｂ及び１１０ｃを省略して示す。特に、図４（ｂ）では、水晶片２１に対する励振電極２２と兼用電極１１０の厚さ方向のスケールを拡大して示す。
【００５５】
図４（ｂ）及び図５に示すように、兼用電極１１０は、励振電極の一方として励振電極２２と対をなす。このため、インバータ３２に駆動電力が供給され、兼用電極１１０と励振電極２２を介して水晶片２１の内部に励振電流が流れると、水晶片２１が発振する。
【００５６】
ここで、兼用電極１１０で検出される温度が変化すると、温度変化を表す温度信号が補正回路３４に入力され、補正回路３４は、メモリ３５に格納された周波数温度特性の逆特性を表すデータを参照し、温度信号に応じた印加電圧を出力する。補正回路３４から出力された印加電圧により、可変容量コンデンサ３１の静電容量が変化し、その結果、水晶振動子１０２の発振周波数が調整されるため、発振回路の発振周波数は、温度変化に対して安定する。
【００５７】
以上、実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００によれば、水晶片２１の表面に感温回路素子と励振電極の一方とを兼用する金属薄膜製の兼用電極１１０を形成したので、水晶片２１の温度変化にもかかわらず、安定した発振周波数にて発振することができる。
【００５８】
このように、実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００は、水晶片２１に配設された兼用電極１１０により、水晶片自体の温度変化に対応して発振周波数の補正を行うので、急激な温度上昇に迅速に対応できるようになり、特に、パワーアンプ等や送信ユニットのように、急激な温度上昇が伴う電子素子の近傍に設置しても、安定したクロック信号を出力することができるようになる。
【００５９】
図６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。
【００６０】
図６（ａ）は、上記してきた温度補償型水晶発信器１００を搭載した携帯電話機５０を示している。この携帯電話機は、通信用の回路等が実装されたプリント基板６０を含み、プリント基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。
【００６１】
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機器の代表例であり、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、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。
【００６２】
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、発振周波数の変動を正確に補償することができる。
【００６３】
特に、携帯電話機５０の基準クロック信号、又は、ＧＰＳ（Global Positioning System：全地球測位システム）端末機の基準クロック信号等には、非常に高い精度が要求されるため、本実施の形態の温度補償型水晶発振器１００を使用すると、非常に有効的である。
【００６４】
なお、図６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。
【００６５】
［実施の形態２］
図７及び図８は、実施の形態２の温度補償型水晶発振器２００の回路を示す図である。
【００６６】
実施の形態２の温度補償型水晶発振器２００の水晶振動子２０２は、水晶片２１、励振電極２２、及び積層電極２１０を含む。実施の形態２は、感温回路素子の構造が実施の形態１と異なる。
【００６７】
なお、図７では水晶片２１、励振電極２２、及び積層電極２１０を断面で示し、図８では、励振電極２２、及び積層電極２１０を回路記号で示す。
【００６８】
図７に示すように、積層電極２１０は、水晶片２１の温度を検出するための検温用電極２１１、絶縁層２１２、及び、励振電極２１３が積層された積層電極である。検温用電極２１１と励振電極２１３とは絶縁層２１２によって絶縁されている。
【００６９】
検温用電極２１１は、水晶片２１の温度を検出できる感温回路素子であればよく、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と励振電極２１３を電気的に絶縁できる薄膜層であればよく、例えば、シリコン酸化層を用いることができる。励振電極２１３は、励振電極２２と対をなして水晶片２１に励振電流を供給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。なお、励振電極２２としては、例えば、金（Ａｕ）製の薄膜電極を用いることができる。
【００７０】
積層電極２１０は、例えば、水晶片２１の表面上に検温用電極２１１（ニクロム薄膜）、絶縁層２１２（シリコン酸化層）、励振電極２１３（金薄膜）を蒸着法又はスパッタリング法で積層することにより、作製することができる。
【００７１】
なお、検温用電極２１１、絶縁層２１２、及び励振電極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。
【００７２】
検温用電極２１１は、補正回路３４と温度検出用の閉回路を形成するように接続されている。補正回路３４は、検温用電極２１１に電圧を印加し、検温用電極２１１から温度に応じた電流（温度信号）を検出することにより、水晶片２１の温度を検出する。検出した温度信号は、発振周波数を補正するための制御に用いられる。
【００７３】
また、積層電極２１０の励振電極２１３は、可変容量コンデンサ３１の入力端に接続されており、励振電極２２は、インバータ３２の出力端に接続されている。これにより、積層電極２１０の励振電極２１３は、励振電極の一方として、励振電極２２と対をなし、水晶片２１に励振電流を供給できるようにされている。
【００７４】
また、可変容量コンデンサ３１及びインバータ３２は、水晶振動子２０２の発振に基づく発振信号を得るためのループ状の発振回路を形成する。なお、発振信号の発振周波数は、水晶振動子２０２の固有振動数によって決まる。
【００７５】
なお、インバータ３２の出力側には、発振回路で得られる発振信号をクロック信号に変換して外部に出力するための出力回路である出力バッファ回路３３が接続され、補正回路３４には、水晶振動子２０２の周波数温度特性の逆特性を表すデータを格納するメモリ３５が接続されている。
【００７６】
なお、上述のように、検温用電極２１１と励振電極２１３とは絶縁層２１２によって絶縁されており、温度検出用の閉回路と、発振回路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。
【００７７】
また、積層電極２１０の質量及び取付位置は、実施の形態１と同様に、水晶片２１の固有振動数に影響を与えないように設定されている。
【００７８】
このような構造の温度補償型水晶発振器２００の積層電極２１０及び励振電極２２を回路記号で示すと、図８に示す通りとなる。積層電極２１０の検温用電極２１１と励振電極２１３は絶縁分離されているため、補正回路３４を含む温度検出用の閉回路と、可変容量コンデンサ３１及びインバータ３２を含む発振回路とは、完全に絶縁分離されている。
【００７９】
補正回路３４が積層電極２１０の検温用電極２１１に電圧を印加すると、補正回路３４には、検温用電極２１１で検出される水晶片２１の温度を表す温度信号（電流値）が入力される。補正回路３４は、メモリ３５内のデータを参照することにより検温用電極２１１から入力される水晶片２１の温度を表す温度信号に応じた値の電圧（補償電圧）を出力する。補正回路３４から出力される補償電圧は、水晶片２１の温度変化による発振周波数の変動を相殺するように可変容量素子３１の静電容量を補正するための電圧値に設定され、可変容量コンデンサ３１に供給される。これにより、可変容量コンデンサ３１の静電容量が制御される。
【００８０】
このため、積層電極２１０の検温用電極２１１で検出される温度が変化すると、温度変化を表す温度信号が補正回路３４に入力される。補正回路３４は、温度信号に応じた補償電圧を出力し、これにより、可変容量コンデンサ３１の静電容量が調節され、水晶振動子２０２の発振周波数は、温度変化に対して安定するように制御される。
【００８１】
すなわち、可変容量コンデンサ３１の静電容量は、積層電極２１０の検温用電極２１１から出力される温度信号に基づいてフィードバック制御され、環境温度が変動しても、水晶振動子２０２の発振周波数が安定するように発振周波数の変動が補償される。これにより、出力バッファ回路３３から出力されるクロック信号の周波数は、一定の範囲内に保たれる。
【００８２】
以上、実施の形態２によれば、水晶片２１の表面に、検温用電極２１１と励振電極２１３とを積層した積層電極２１０を形成したので、水晶片２１の固有振動数に影響を与えることなく、水晶振動子２０２を発振させることができる。
【００８３】
また、水晶片２１の表面に形成した積層電極２１０の検温用電極２１１で水晶片２１の温度を検出できるので、従来のように熱伝導の遅れが殆ど生じず、水晶片２１の温度を正確に表す温度信号（温度を表す電流値）が得られる。
【００８４】
このため、実施の形態２の温度補償型水晶発振器２００では、積層電極２１０で正確に検出された温度信号に基づい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、発振信号の発振周波数の変動を正確かつ安定的に補償することができる。
【００８５】
このように、実施の形態２の温度補償型水晶発振器２００は、水晶片２１に配設された積層電極２１０により、急激な温度上昇に迅速に対応できるので、特に、パワーアンプ等のように、急激な温度上昇が伴う電子素子の近傍に設置しても、正確かつ安定したクロック信号を出力することができる。
【００８６】
このため、特に、携帯電話、カーナビゲーションシステム等のように、設計の自由度が大幅に制約され、高密度実装される電子機器に実装しても、発振周波数を高精度に補償することができる。
【００８７】
［実施の形態３］
図９及び図１０は、実施の形態３の温度補償型水晶発振器３００の回路を示す図である。
【００８８】
実施の形態３の温度補償型水晶発振器３００の水晶振動子３０２は、水晶片２１、励振電極２２、２３、及び温度センサ３１０を含む。実施の形態３は、水晶振動子３０２に含まれる感温回路素子（温度センサ３１０）の構造が実施の形態１と異なる。
【００８９】
なお、図９では水晶片２１、励振電極２２、２３、及び温度センサ３１０を斜視で示し、図１０では、水晶片２１、励振電極２２、２３、及び温度センサ３１０を回路記号で示す。
【００９０】
実施の形態３の温度補償型水晶発振器３００は、水晶片２１に一対の励振電極２２、２３が配設されるとともに、励振電極２３が配設されている面側に、水晶片２１の温度を検出する感温回路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。
【００９１】
励振電極２２は、水晶片２１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２２ａにストライプ状の延伸部２２ｂが接続された形状である。
【００９２】
また、励振電極２３は、水晶片２１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２３ａにストライプ状の延伸部２３ｂが接続された形状である。
【００９３】
このように、励振電極２２と２３の構造は、同一であり、励振電極２２、２３としては、例えば、金（Ａｕ）製の薄膜電極を用いることができる。
【００９４】
温度センサ３１０は、水晶片２１の上面（励振電極２３が配設される面）において、励振電極２３とは離間して絶縁分離された状態で、水晶片２１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。
【００９５】
温度センサ３１０は、水晶片２１の温度を検出できる感温回路素子であればよく、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。
【００９６】
なお、図９には、水晶片２１の上面（励振電極２３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、水晶片２１のいずれかの表面上であればよく、図９に示す位置に限られない。ただし、水晶片２１の固有振動数に影響を与えないようにする必要があるため、温度センサ３１０の質量及び取付位置は、励振電極２２、２３との関係を考慮した上で、固有振動数を考慮して決定すればよい。
【００９７】
励振電極２２の延伸部２２ｂはインバータ３２の出力端に接続され、励振電極２３の延伸部２３ｂは可変容量コンデンサ３１の入力端に接続される。これにより、励振電極２２、２３は、対をなして、水晶片２１に励振電流を供給するようにされている。
【００９８】
また、可変容量コンデンサ３１及びインバータ３２は、水晶振動子３０２の発振に基づく発振信号を得るためのループ状の発振回路を形成する。なお、発振信号の発振周波数は、水晶振動子３０２の固有振動数によって決まる。
【００９９】
なお、インバータ３２の出力側には、発振回路で得られる発振信号をクロック信号に変換して外部に出力するための出力回路である出力バッファ回路３３が接続され、補正回路３４には、水晶振動子３０２の周波数温度特性の逆特性を表すデータを格納するメモリ３５が接続されている。
【０１００】
なお、図９に示すように、温度検出用の閉回路と、ループ状の発振回路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。
【０１０１】
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２２及び２３を回路記号で示すと、図１０に示す通りとなる。励振電極２３と温度センサ３１０は絶縁分離されているため、補正回路３４を含む温度検出用の閉回路と、可変容量コンデンサ３１及びインバータ３２を含むループ状の発振回路とは、完全に絶縁分離されている。
【０１０２】
補正回路３４が温度センサ３１０に電圧を印加すると、補正回路３４には、温度センサ３１０で検出される水晶片２１の温度を表す温度信号（電流値）が入力される。補正回路３４は、メモリ３５内のデータを参照することにより温度センサ３１０から入力される水晶片２１の温度を表す温度信号に応じた値の電圧（補償電圧）を出力する。補正回路３４から出力される補償電圧は、水晶片２１の温度変化による発振周波数の変動を相殺するように可変容量素子３１の静電容量を補正するための電圧値に設定され、可変容量コンデンサ３１のｐｎ接合に供給される。これにより、可変容量コンデンサ３１の静電容量が制御される。
【０１０３】
このため、温度センサ３１０で検出される温度が変化すると、温度変化を表す温度信号が補正回路３４に入力される。補正回路３４は、温度信号に応じた補償電圧を出力し、これにより、可変容量コンデンサ３１の静電容量が調節され、水晶振動子３０２の発振周波数は、温度変化に対して安定するように制御される。
【０１０４】
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３１０から出力される温度信号に基づいてフィードバック制御され、環境温度が変動しても、水晶振動子３０２の発振周波数が安定するように発振周波数の変動が補償される。これにより、出力バッファ回路３３から出力されるクロック信号の周波数は、一定の範囲内に保たれる。
【０１０５】
以上、実施の形態３によれば、水晶片２１の表面に、水晶片２１の固有振動数に影響を与えないように、励振電極２２、２３とは絶縁分離された温度センサ３１０を形成したので、所望の固有振動数で水晶振動子３０２を発振させることができる。
【０１０６】
また、水晶片２１の表面に形成した温度センサ３１０で水晶片２１の温度を検出できるので、従来のように熱伝導の遅れによる影響が含まれず、水晶片２１の温度を正確に表す温度信号（温度を表す電流値）が得られる。
【０１０７】
このため、実施の形態３の温度補償型水晶発振器３００では、温度センサ３１０で正確に検出された温度信号に基づい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、発振信号の発振周波数の変動を正確かつ安定的に補償することができる。
【０１０８】
このように、実施の形態３の温度補償型水晶発振器３００は、水晶片２１に配設された温度センサ３１０により、急激な温度上昇に迅速に対応できるので、特に、パワーアンプ等のように、急激な温度上昇が伴う電子素子の近傍に設置しても、正確かつ安定したクロック信号を出力することができる。
【０１０９】
このため、特に、携帯電話、カーナビゲーションシステム等のように、設計の自由度が大幅に制約され、高密度実装される電子機器に実装しても、発振周波数を高精度に補償することができる。
【０１１０】
なお、実施の形態３では、一つの温度センサ３１０が水晶片２１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。
【０１１１】
また、実施の形態３では、励振電極２２と２３が同一構造の形態について説明したが、水晶片２１の発振周波数を調整するために、励振電極２２と２３の構造が異なるようにしてもよい。例えば、温度センサ３１０が形成される面側の励振電極２３が励振電極２２よりも質量が軽く、又は面積が小さくなるようにしてもよい。
【０１１２】
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。
【０１１３】
以上の実施の形態１乃至３に関し、さらに以下の付記を開示する。
（付記１）水晶振動子を含む発振回路と、
前記発振回路に直列に挿入される可変容量素子と、
前記水晶振動子に蒸着され、前記水晶振動子の温度に応じて抵抗値が変化する感温回路素子と、
前記感温回路素子に対し通電を行った際の電流値に基づき、前記可変容量素子の容量を補正する補正回路と
を有する、温度補償型水晶発振器。
（付記２）前記感温回路素子は、前記水晶振動子の励振電極の一方と兼用である、付記１に記載の温度補償型水晶発振器。
（付記３）前記感温回路素子には、絶縁層を介して、前記水晶振動子の励振電極の一方が積層される、付記１に記載の温度補償型水晶発振器。
（付記４）
前記感温回路素子は、前記水晶振動子の励振電極とは離間した離間領域に蒸着される、付記１に記載の温度補償型水晶発振器。
（付記５）前記感温回路素子は、前記水晶片の一対の励振電極のうちの一方が配設される面と同一の面に取り付けられる、付記５に記載の温度補償型水晶発振器。
（付記６） 前記感温回路素子はニクロム薄膜である、付記１乃至５のいずれか一項に記載の温度補償型水晶発振器。
（付記７）付記１乃至６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。
（付記８）付記１乃至６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。
【符号の説明】
【０１１４】
１ 筐体
１Ａ 蓋部
３ ＩＣ
２１ 水晶片
２２、２３ 励振電極
２２ａ、２３ａ 電極部
２２ｂ、２３ｂ 延伸部
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
３４ 補正回路
３５ 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
１０２、２０２、３０２ 水晶振動子
１１０ 兼用電極
１１０ａ 電極部
１１０ｂ、１１０ｃ 延伸部
１１１ コイル
２１０ 積層電極
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。
【０００７】
このＩＣ３の上面又は内部には、温度センサ４が配設されている。温度センサ４は、ＩＣ３の温度に応じて例えば抵抗値が変化する感温素子であり、例えば、ニクロム線を用いることができる。温度センサ４は、ＩＣ３の温度変化に応じて抵抗値が変化するため、温度に応じた値の電流が出力される。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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ループ状の発振回路を形成している。
【００１１】
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。
【００１２】
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）などの可変容量ダイオードで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。
【００１３】
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が可変容量コンデンサ３１へ印加する電圧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。
【００１４】
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。
【００１５】
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】
【００１６】
【特許文献１】特開２００８−３００９７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
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、カーナビゲーションシステム等では、スペースの制約が大きいため、高密度化が顕著である。
【００１８】
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る。
【００１９】
ところで、電子機器の内部には、たとえば、携帯電話の送信アンプのように高熱源となる電子部品が含まれる。この電子部品は、温度補償型水晶発振器とともにプリント基板に実装される。このため、電子部品等の配置を変更することによって熱源から温度補償型水晶発振器への熱伝導を低減することは困難になってきている。
【００２０】
また、設計の自由度が制約される一方で、電子機器の高性能化に伴い、温度補償型水晶発振器には更なる高精度化が必要とされている。
【００２１】
以上の理由により、温度補償型水晶発振器には、温度が変動する環境下において、発振周波数を高精度に補償することが求められている。
【００２２】
しかしながら、上記従来の温度補償型水晶発振器のように、水晶片２１とは離間して配設されるＩＣ３に温度センサ４が取り付けられる場合には、水晶片２１よりもＩＣ３の方がプリント基板に実装される熱源に近いので、熱伝導の遅れにより、温度センサ４で測定する温度と水晶片２１の実際の温度に差が生じる場合があった。熱伝導の遅れによる温度差は、熱源に急激な温度上昇が生じたときほど大きくなる傾向があった。
【００２３】
そして、このような熱伝導の遅れによる温度差は、発振周波数の変動を補償する際の制御誤差になるため、発振周波数の変動の補償を適切に行うことができない場合があった。
【００２４】
また、補正回路又はメモリをＩＣとは別にしたディスクリート型の従来の温度補償型水晶発振器においても、温度センサは水晶振動子から離間した位置に配設されていた。このため、熱伝導の遅れによる温度差は、補正回路とメモリをＩＣ内で一体化した温度補償型水晶発振器と同様に生じており、発振周波数の変動の補償を適切に行うことができない場合があった。
【００２５】
ここで、熱伝導の遅れによって生じる制御誤差を少なくするために、ニクロム線等の温度センサを水晶振動子に直接取り付けることが考えられるが、水晶振動子は、所望の発振周波数が得られるように、励振電極の質量及び取付位置等が設計されているため、ニクロム線等の温度センサを直に取り付けることは困難であった。
【００２６】
そこで、本実施の形態に基づく発明では、正確かつ安定的に発振周波数の変動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目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
本発明の実施の形態の一観点の温度補償型水晶発振器は、水晶振動子を含む発振回路と、前記発振回路に直列に挿入される可変容量素子と、前記水晶振動子に蒸着され、前記水晶振動子の温度に応じて抵抗値が変化する感温回路素子と、前記感温回路素子に対し通電を行った際の電流値に基づき、前記可変容量素子の容量を補正する補正回路とを有する。
【発明の効果】
【００２８】
水晶振動子に蒸着させた感温素子の出力を利用して測定するため、水晶振動子の温度をより直接的に反映させた温度補正を行うことが可能となり、間接的に検出を行っていた従来技術に比べてより正確に温度補償を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】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
【図２】従来の温度補償型水晶発振器の回路を示す図である。
【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の回路を示す図である。
【図５】実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００の回路を示す図である。
【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７】実施の形態２の温度補償型水晶発振器２００の回路を示す図である。
【図８】実施の形態２の温度補償型水晶発振器２００の回路を示す図である。
【図９】実施の形態３の温度補償型水晶発振器３００の回路を示す図である。
【図１０】実施の形態３の温度補償型水晶発振器３００の回路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
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。
【００３１】
［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。
【００３２】
なお、従来の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。
【００３３】
実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００は、筐体１と、筐体１の内部に配設される水晶振動子１０２及びＩＣ３とを含む。水晶振動子１０２は、水晶片２１、励振電極２２、及び兼用電極１１０を有する。
【００３４】
兼用電極１１０は、水晶片２１の温度を検出するための温度センサ（感温回路素子）と、水晶振動子１０２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としては、本実施の形態においては、水晶片２１の表面にニクロム（Ｎｉ−Ｃｒ：ニッケルとクロムを含む合金）薄膜形成している。この兼用電極１１０は、蒸着法又はスパッタリング法等により、水晶片２１の表面に形成することができる。
【００３５】
また、上記したように兼用電極１１０は、水晶振動子１０２の励振電極の一方であるため、兼用電極１１０の質量及び取付位置は、水晶振動子１０２の固有振動数に影響が生じないように水晶片の中央付近に形成することが望ましい。
【００３６】
また、本実施の形態では、兼用電極１１０と対をなす他方の励振電極２２として金の薄膜を用いる形態について説明するが、励振電極２２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。
【００３７】
なお、水晶片２１は、所定の固有振動数で振動するように、例えば、ＡＴカットにより結晶の切断方位と寸法が設定される。この水晶片２１の寸法は、本実施の形態では、長さ（図中横方向）３．２ｍｍ、幅（図面を貫く方向）２．５ｍｍ、厚さ１ｍｍとする。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とする。
【００３８】
水晶片２１の下面（基板搭載側面）とＩＣ３の上面（水晶片２１の下面との対向面）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、水晶片２１の寸法、又は、水晶片２１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。
【００３９】
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の回路を示す図である。
【００４０】
図４（ａ）では水晶片２１、励振電極２２、及び兼用電極１１０を斜視で示し、図４（ｂ）では水晶片２１、励振電極２２、及び兼用電極１１０を断面で示す。また、図５では、励振電極２２及び兼用電極１１０を回路記号で示す。
【００４１】
なお、図示の便宜上、図４（ａ）に示す水晶片２１は、図３及び図４（ｂ）に示す水晶片２１とは天地逆に明記している。このため、図４（ａ）では上側に示される面が水晶片２１の下面であり、下側に示される面が水晶片２１の上面となる。
【００４２】
この図４（ａ）に示すように、励振電極２２は、平板状の水晶片２１の下面側に配設され、兼用電極１１０は、平板状の水晶片２１の上面側に配設される。
【００４３】
この励振電極２２は、水晶片２１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２２ａの長軸上にストライプ状の延伸部２２ｂが接続された形状である。
【００４４】
また兼用電極１１０は、水晶片２１の上面の略中心（即ち、励振電極の対向位置）に配設されており、平面視で楕円形の電極部１１０ａの長軸上に一対の延伸部１１０ｂ、１１０ｃが接続された形状である。
【００４５】
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３４と温度検出用の閉回路を形成するように接続されている。
【００４６】
また、兼用電極１１０の延伸部１１０ｂは、可変容量コンデンサ３１の入力端に接続されており、励振電極２２の延伸部２２ｂは、インバータ３２の出力端に接続されている。これにより、兼用電極１１０は、励振電極の一方として、励振電極２２と対をなし、インバータ３２から供給される励振電流を水晶片２１に供給できるようにされている。
【００４７】
また、可変容量コンデンサ３１、インバータ３２、及び、水晶振動子１０２により、ループ状の発振回路を形成する。
【００４８】
なお、インバータ３２の出力側には、発振回路で得られる発振信号をクロック信号に変換して外部に出力するための出力回路である出力バッファ回路３３が接続され、補正回路３４には、水晶振動子１０２の周波数温度特性の逆特性を表すデータを格納するメモリ３５が接続されており、補正回路３４は、交流遮断用のコイル１１１を介して、可変容量コンデンサ３１を流れる電流の直流成分を検出し、メモリ３５を参照して兼用電極の直流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。
【００４９】
また、インバータ３２から励振電極２２、２３に励振電流が供給されると、水晶振動子１０２の水晶片２１が発振し、発振回路で発振信号が得られる。発振信号は、出力バッファ回路３３を介してクロック信号として出力される。
【００５０】
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、水晶振動子１０２を含む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配設されている。
【００５１】
可変容量コンデンサ３１は、例えば、バリキャップダイオードなどの可変容量ダイオードを使用して形成される。
【００５２】
兼用電極１１０で検出される水晶片２１の温度の変化に応じて可変容量コンデンサ３１に印加する電圧値を変えることにより、発振回路の発振周波数を調節することができる。
また、メモリ３５は、ＩＣ３に内蔵されるメモリであり、兼用電極１１０の直流電流値を可変容量コンデンサ３１へ印加する電圧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を参照して兼用電極１１０の直流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。
【００５３】
以上の構成により、兼用電極１１０で検出される温度が変化すると、温度変化を表す温度信号が補正回路３４に入力され、補正回路３４は、メモリ３５に格納された周波数温度特性の逆特性を表すデータを参照し、可変容量コンデンサ３１に対し、対応する印加電圧を印加し、結果として、発振回路の発振周波数の補正が行われ温度変化に対して安定した周波数の出力が行われるようになる。
【００５４】
図４（ｂ）及び図５では、説明の便宜上、励振電極２２の延伸部２２ｂ、兼用電極１１０の延伸部１１０ｂ及び１１０ｃを省略して示す。特に、図４（ｂ）では、水晶片２１に対する励振電極２２と兼用電極１１０の厚さ方向のスケールを拡大して示す。
【００５５】
図４（ｂ）及び図５に示すように、兼用電極１１０は、励振電極の一方として励振電極２２と対をなす。このため、インバータ３２に駆動電力が供給され、兼用電極１１０と励振電極２２を介して水晶片２１の内部に励振電流が流れると、水晶片２１が発振する。
【００５６】
ここで、兼用電極１１０で検出される温度が変化すると、温度変化を表す温度信号が補正回路３４に入力され、補正回路３４は、メモリ３５に格納された周波数温度特性の逆特性を表すデータを参照し、温度信号に応じた印加電圧を出力する。補正回路３４から出力された印加電圧により、可変容量コンデンサ３１の静電容量が変化し、その結果、水晶振動子１０２の発振周波数が調整されるため、発振回路の発振周波数は、温度変化に対して安定する。
【００５７】
以上、実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００によれば、水晶片２１の表面に感温回路素子と励振電極の一方とを兼用する金属薄膜製の兼用電極１１０を形成したので、水晶片２１の温度変化にもかかわらず、安定した発振周波数にて発振することができる。
【００５８】
このように、実施の形態１の温度補償型水晶発振器１００は、水晶片２１に配設された兼用電極１１０により、水晶片自体の温度変化に対応して発振周波数の補正を行うので、急激な温度上昇に迅速に対応できるようになり、特に、パワーアンプ等や送信ユニットのように、急激な温度上昇が伴う電子素子の近傍に設置しても、安定したクロック信号を出力することができるようになる。
【００５９】
図６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。
【００６０】
図６（ａ）は、上記してきた温度補償型水晶発信器１００を搭載した携帯電話機５０を示している。この携帯電話機は、通信用の回路等が実装されたプリント基板６０を含み、プリント基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。
【００６１】
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機器の代表例であり、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、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。
【００６２】
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、発振周波数の変動を正確に補償することができる。
【００６３】
特に、携帯電話機５０の基準クロック信号、又は、ＧＰＳ（Global Positioning System：全地球測位システム）端末機の基準クロック信号等には、非常に高い精度が要求されるため、本実施の形態の温度補償型水晶発振器１００を使用すると、非常に有効的である。
【００６４】
なお、図６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。
【００６５】
［実施の形態２］
図７及び図８は、実施の形態２の温度補償型水晶発振器２００の回路を示す図である。
【００６６】
実施の形態２の温度補償型水晶発振器２００の水晶振動子２０２は、水晶片２１、励振電極２２、及び積層電極２１０を含む。実施の形態２は、感温回路素子の構造が実施の形態１と異なる。
【００６７】
なお、図７では水晶片２１、励振電極２２、及び積層電極２１０を断面で示し、図８では、励振電極２２、及び積層電極２１０を回路記号で示す。
【００６８】
図７に示すように、積層電極２１０は、水晶片２１の温度を検出するための検温用電極２１１、絶縁層２１２、及び、励振電極２１３が積層された積層電極である。検温用電極２１１と励振電極２１３とは絶縁層２１２によって絶縁されている。
【００６９】
検温用電極２１１は、水晶片２１の温度を検出できる感温回路素子であればよく、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と励振電極２１３を電気的に絶縁できる薄膜層であればよく、例えば、シリコン酸化層を用いることができる。励振電極２１３は、励振電極２２と対をなして水晶片２１に励振電流を供給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。なお、励振電極２２としては、例えば、金（Ａｕ）製の薄膜電極を用いることができる。
【００７０】
積層電極２１０は、例えば、水晶片２１の表面上に検温用電極２１１（ニクロム薄膜）、絶縁層２１２（シリコン酸化層）、励振電極２１３（金薄膜）を蒸着法又はスパッタリング法で積層することにより、作製することができる。
【００７１】
なお、検温用電極２１１、絶縁層２１２、及び励振電極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。
【００７２】
検温用電極２１１は、補正回路３４と温度検出用の閉回路を形成するように接続されている。補正回路３４は、検温用電極２１１に電圧を印加し、検温用電極２１１から温度に応じた電流（温度信号）を検出することにより、水晶片２１の温度を検出する。検出した温度信号は、発振周波数を補正するための制御に用いられる。
【００７３】
また、積層電極２１０の励振電極２１３は、可変容量コンデンサ３１の入力端に接続されており、励振電極２２は、インバータ３２の出力端に接続されている。これにより、積層電極２１０の励振電極２１３は、励振電極の一方として、励振電極２２と対をなし、水晶片２１に励振電流を供給できるようにされている。
【００７４】
また、可変容量コンデンサ３１及びインバータ３２は、水晶振動子２０２の発振に基づく発振信号を得るためのループ状の発振回路を形成する。なお、発振信号の発振周波数は、水晶振動子２０２の固有振動数によって決まる。
【００７５】
なお、インバータ３２の出力側には、発振回路で得られる発振信号をクロック信号に変換して外部に出力するための出力回路である出力バッファ回路３３が接続され、補正回路３４には、水晶振動子２０２の周波数温度特性の逆特性を表すデータを格納するメモリ３５が接続されている。
【００７６】
なお、上述のように、検温用電極２１１と励振電極２１３とは絶縁層２１２によって絶縁されており、温度検出用の閉回路と、発振回路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。
【００７７】
また、積層電極２１０の質量及び取付位置は、実施の形態１と同様に、水晶片２１の固有振動数に影響を与えないように設定されている。
【００７８】
このような構造の温度補償型水晶発振器２００の積層電極２１０及び励振電極２２を回路記号で示すと、図８に示す通りとなる。積層電極２１０の検温用電極２１１と励振電極２１３は絶縁分離されているため、補正回路３４を含む温度検出用の閉回路と、可変容量コンデンサ３１及びインバータ３２を含む発振回路とは、完全に絶縁分離されている。
【００７９】
補正回路３４が積層電極２１０の検温用電極２１１に電圧を印加すると、補正回路３４には、検温用電極２１１で検出される水晶片２１の温度を表す温度信号（電流値）が入力される。補正回路３４は、メモリ３５内のデータを参照することにより検温用電極２１１から入力される水晶片２１の温度を表す温度信号に応じた値の電圧（補償電圧）を出力する。補正回路３４から出力される補償電圧は、水晶片２１の温度変化による発振周波数の変動を相殺するように可変容量素子３１の静電容量を補正するための電圧値に設定され、可変容量コンデンサ３１に供給される。これにより、可変容量コンデンサ３１の静電容量が制御される。
【００８０】
このため、積層電極２１０の検温用電極２１１で検出される温度が変化すると、温度変化を表す温度信号が補正回路３４に入力される。補正回路３４は、温度信号に応じた補償電圧を出力し、これにより、可変容量コンデンサ３１の静電容量が調節され、水晶振動子２０２の発振周波数は、温度変化に対して安定するように制御される。
【００８１】
すなわち、可変容量コンデンサ３１の静電容量は、積層電極２１０の検温用電極２１１から出力される温度信号に基づいてフィードバック制御され、環境温度が変動しても、水晶振動子２０２の発振周波数が安定するように発振周波数の変動が補償される。これにより、出力バッファ回路３３から出力されるクロック信号の周波数は、一定の範囲内に保たれる。
【００８２】
以上、実施の形態２によれば、水晶片２１の表面に、検温用電極２１１と励振電極２１３とを積層した積層電極２１０を形成したので、水晶片２１の固有振動数に影響を与えることなく、水晶振動子２０２を発振させることができる。
【００８３】
また、水晶片２１の表面に形成した積層電極２１０の検温用電極２１１で水晶片２１の温度を検出できるので、従来のように熱伝導の遅れが殆ど生じず、水晶片２１の温度を正確に表す温度信号（温度を表す電流値）が得られる。
【００８４】
このため、実施の形態２の温度補償型水晶発振器２００では、積層電極２１０で正確に検出された温度信号に基づい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、発振信号の発振周波数の変動を正確かつ安定的に補償することができる。
【００８５】
このように、実施の形態２の温度補償型水晶発振器２００は、水晶片２１に配設された積層電極２１０により、急激な温度上昇に迅速に対応できるので、特に、パワーアンプ等のように、急激な温度上昇が伴う電子素子の近傍に設置しても、正確かつ安定したクロック信号を出力することができる。
【００８６】
このため、特に、携帯電話、カーナビゲーションシステム等のように、設計の自由度が大幅に制約され、高密度実装される電子機器に実装しても、発振周波数を高精度に補償することができる。
【００８７】
［実施の形態３］
図９及び図１０は、実施の形態３の温度補償型水晶発振器３００の回路を示す図である。
【００８８】
実施の形態３の温度補償型水晶発振器３００の水晶振動子３０２は、水晶片２１、励振電極２２、２３、及び温度センサ３１０を含む。実施の形態３は、水晶振動子３０２に含まれる感温回路素子（温度センサ３１０）の構造が実施の形態１と異なる。
【００８９】
なお、図９では水晶片２１、励振電極２２、２３、及び温度センサ３１０を斜視で示し、図１０では、水晶片２１、励振電極２２、２３、及び温度センサ３１０を回路記号で示す。
【００９０】
実施の形態３の温度補償型水晶発振器３００は、水晶片２１に一対の励振電極２２、２３が配設されるとともに、励振電極２３が配設されている面側に、水晶片２１の温度を検出する感温回路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。
【００９１】
励振電極２２は、水晶片２１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２２ａにストライプ状の延伸部２２ｂが接続された形状である。
【００９２】
また、励振電極２３は、水晶片２１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２３ａにストライプ状の延伸部２３ｂが接続された形状である。
【００９３】
このように、励振電極２２と２３の構造は、同一であり、励振電極２２、２３としては、例えば、金（Ａｕ）製の薄膜電極を用いることができる。
【００９４】
温度センサ３１０は、水晶片２１の上面（励振電極２３が配設される面）において、励振電極２３とは離間して絶縁分離された状態で、水晶片２１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。
【００９５】
温度センサ３１０は、水晶片２１の温度を検出できる感温回路素子であればよく、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。
【００９６】
なお、図９には、水晶片２１の上面（励振電極２３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、水晶片２１のいずれかの表面上であればよく、図９に示す位置に限られない。ただし、水晶片２１の固有振動数に影響を与えないようにする必要があるため、温度センサ３１０の質量及び取付位置は、励振電極２２、２３との関係を考慮した上で、固有振動数を考慮して決定すればよい。
【００９７】
励振電極２２の延伸部２２ｂはインバータ３２の出力端に接続され、励振電極２３の延伸部２３ｂは可変容量コンデンサ３１の入力端に接続される。これにより、励振電極２２、２３は、対をなして、水晶片２１に励振電流を供給するようにされている。
【００９８】
また、可変容量コンデンサ３１及びインバータ３２は、水晶振動子３０２の発振に基づく発振信号を得るためのループ状の発振回路を形成する。なお、発振信号の発振周波数は、水晶振動子３０２の固有振動数によって決まる。
【００９９】
なお、インバータ３２の出力側には、発振回路で得られる発振信号をクロック信号に変換して外部に出力するための出力回路である出力バッファ回路３３が接続され、補正回路３４には、水晶振動子３０２の周波数温度特性の逆特性を表すデータを格納するメモリ３５が接続されている。
【０１００】
なお、図９に示すように、温度検出用の閉回路と、ループ状の発振回路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。
【０１０１】
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２２及び２３を回路記号で示すと、図１０に示す通りとなる。励振電極２３と温度センサ３１０は絶縁分離されているため、補正回路３４を含む温度検出用の閉回路と、可変容量コンデンサ３１及びインバータ３２を含むループ状の発振回路とは、完全に絶縁分離されている。
【０１０２】
補正回路３４が温度センサ３１０に電圧を印加すると、補正回路３４には、温度センサ３１０で検出される水晶片２１の温度を表す温度信号（電流値）が入力される。補正回路３４は、メモリ３５内のデータを参照することにより温度センサ３１０から入力される水晶片２１の温度を表す温度信号に応じた値の電圧（補償電圧）を出力する。補正回路３４から出力される補償電圧は、水晶片２１の温度変化による発振周波数の変動を相殺するように可変容量素子３１の静電容量を補正するための電圧値に設定され、可変容量コンデンサ３１のｐｎ接合に供給される。これにより、可変容量コンデンサ３１の静電容量が制御される。
【０１０３】
このため、温度センサ３１０で検出される温度が変化すると、温度変化を表す温度信号が補正回路３４に入力される。補正回路３４は、温度信号に応じた補償電圧を出力し、これにより、可変容量コンデンサ３１の静電容量が調節され、水晶振動子３０２の発振周波数は、温度変化に対して安定するように制御される。
【０１０４】
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３１０から出力される温度信号に基づいてフィードバック制御され、環境温度が変動しても、水晶振動子３０２の発振周波数が安定するように発振周波数の変動が補償される。これにより、出力バッファ回路３３から出力されるクロック信号の周波数は、一定の範囲内に保たれる。
【０１０５】
以上、実施の形態３によれば、水晶片２１の表面に、水晶片２１の固有振動数に影響を与えないように、励振電極２２、２３とは絶縁分離された温度センサ３１０を形成したので、所望の固有振動数で水晶振動子３０２を発振させることができる。
【０１０６】
また、水晶片２１の表面に形成した温度センサ３１０で水晶片２１の温度を検出できるので、従来のように熱伝導の遅れによる影響が含まれず、水晶片２１の温度を正確に表す温度信号（温度を表す電流値）が得られる。
【０１０７】
このため、実施の形態３の温度補償型水晶発振器３００では、温度センサ３１０で正確に検出された温度信号に基づい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、発振信号の発振周波数の変動を正確かつ安定的に補償することができる。
【０１０８】
このように、実施の形態３の温度補償型水晶発振器３００は、水晶片２１に配設された温度センサ３１０により、急激な温度上昇に迅速に対応できるので、特に、パワーアンプ等のように、急激な温度上昇が伴う電子素子の近傍に設置しても、正確かつ安定したクロック信号を出力することができる。
【０１０９】
このため、特に、携帯電話、カーナビゲーションシステム等のように、設計の自由度が大幅に制約され、高密度実装される電子機器に実装しても、発振周波数を高精度に補償することができる。
【０１１０】
なお、実施の形態３では、一つの温度センサ３１０が水晶片２１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。
【０１１１】
また、実施の形態３では、励振電極２２と２３が同一構造の形態について説明したが、水晶片２１の発振周波数を調整するために、励振電極２２と２３の構造が異なるようにしてもよい。例えば、温度センサ３１０が形成される面側の励振電極２３が励振電極２２よりも質量が軽く、又は面積が小さくなるようにしてもよい。
【０１１２】
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。
【０１１３】
以上の実施の形態１乃至３に関し、さらに以下の付記を開示する。
（付記１）水晶振動子を含む発振回路と、
前記発振回路に直列に挿入される可変容量素子と、
前記水晶振動子に蒸着され、前記水晶振動子の温度に応じて抵抗値が変化する感温回路素子と、
前記感温回路素子に対し通電を行った際の電流値に基づき、前記可変容量素子の容量を補正する補正回路と
を有する、温度補償型水晶発振器。
（付記２）前記感温回路素子は、前記水晶振動子の励振電極の一方と兼用である、付記１に記載の温度補償型水晶発振器。
（付記３）前記感温回路素子には、絶縁層を介して、前記水晶振動子の励振電極の一方が積層される、付記１に記載の温度補償型水晶発振器。
（付記４）
前記感温回路素子は、前記水晶振動子の励振電極とは離間した離間領域に蒸着される、付記１に記載の温度補償型水晶発振器。
（付記５）前記感温回路素子は、前記水晶片の一対の励振電極のうちの一方が配設される面と同一の面に取り付けられる、付記５に記載の温度補償型水晶発振器。
（付記６） 前記感温回路素子はニクロム薄膜である、付記１乃至５のいずれか一項に記載の温度補償型水晶発振器。
（付記７）付記１乃至６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。
（付記８）付記１乃至６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。
【符号の説明】
【０１１４】
１ 筐体
１Ａ 蓋部
３ ＩＣ
２１ 水晶片
２２、２３ 励振電極
２２ａ、２３ａ 電極部
２２ｂ、２３ｂ 延伸部
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
３４ 補正回路
３５ 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
１０２、２０２、３０２ 水晶振動子
１１０ 兼用電極
１１０ａ 電極部
１１０ｂ、１１０ｃ 延伸部
１１１ コイル
２１０ 積層電極
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】
水晶振動子を含む発振回路と、
前記発振回路に直列に挿入される可変容量素子と、
前記水晶振動子に蒸着され、前記水晶振動子の温度に応じて抵抗値が変化する感温回路素子と、
前記感温回路素子に対し通電を行った際の電流値に基づき、前記可変容量素子の容量を補正する補正回路と
を有する、温度補償型水晶発振器。
【請求項２】
前記感温回路素子は、前記水晶振動子の励振電極の一方と兼用である、請求項１に記載の温度補償型水晶発振器。
【請求項３】
前記感温回路素子には、絶縁層を介して、前記水晶振動子の励振電極の一方が積層される、請求項１に記載の温度補償型水晶発振器。
【請求項４】
前記感温回路素子は、前記水晶振動子の励振電極とは離間した離間領域に蒸着される、請求項１に記載の温度補償型水晶発振器。
【請求項５】
請求項１乃至４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６】
請求項１乃至４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】
水晶振動子を含む発振回路と、
前記発振回路に直列に挿入される可変容量素子と、
前記水晶振動子に蒸着され、前記水晶振動子の温度に応じて抵抗値が変化する感温回路素子と、
前記感温回路素子に対し通電を行った際の電流値に基づき、前記可変容量素子の容量を補正する補正回路と
を有する、温度補償型水晶発振器。
【請求項２】
前記感温回路素子は、前記水晶振動子の励振電極の一方と兼用である、請求項１に記載の温度補償型水晶発振器。
【請求項３】
前記感温回路素子には、絶縁層を介して、前記水晶振動子の励振電極の一方が積層される、請求項１に記載の温度補償型水晶発振器。
【請求項４】
前記感温回路素子は、前記水晶振動子の励振電極とは離間した離間領域に蒸着される、請求項１に記載の温度補償型水晶発振器。
【請求項５】
請求項１乃至４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６】
請求項１乃至４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２０１０−２５８６０１（Ｐ２０１０−２５８６０１Ａ）
【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２００９−１０４３２６（Ｐ２００９−１０４３２６）
【出願日】平成２１年４月２２日（２００９．４．２２）
【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２２日（２００９．４．２２）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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