説明

温度補償水晶発振器

【課題】周囲温度の変化による発振周波数の変動を抑え、高い発振精度を有する温度補償水晶発振器を提供すること。
【解決手段】容器内に設けられた水晶振動子に制御電圧を印加する電圧制御部を備えた温度補償水晶発振器において、前記電圧制御部は、温度検出器にて検出された温度をT、基準温度をT0、基準温度T0において水晶振動子の設定周波数が得られる電圧をV0、前記温度検出器により検出された温度と水晶振動子の温度との温度差に相当する設定温度差をΔT、Kを予め設定した定数とすると、次式で表され、


=0である補償電圧VをV0に加算した制御電圧を水晶振動子に印加するようにする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、温度検出器の検出値に基づいて温度補償がされた水晶発振器に関する。
【背景技術】
【0002】
水晶発振回路は、その発振精度が比較的高いことから携帯電話などの多くの電子機器に搭載されている。しかし、水晶振動子はその周囲の温度が変化すると、その温度変化に応じてその発振周波数が変動してしまう、いわゆる周波数温度特性を有している。この周波数温度特性は、水晶振動子を構成する水晶片の切断角度や厚さなどのばらつきにより水晶振動子ごとに異なっている。図4の実線のグラフは温度補償されていないATカットされた水晶片からなる水晶振動子の周波数温度特性の一例を示したものである。目標とする発振周波数をf、ある温度における周波数(f’)とfとの偏差分をΔfとすると、グラフの縦軸はΔf/fであり、横軸はその水晶振動子の周囲温度Tを夫々示している。この周波数偏差Δf/fは、下記の周囲温度Tの3次関数である(1)式として近似されることが知られている。
Δf/f=α(T−T0)3+β(T−T0)+γ・・・(1)
0は水晶発振器を設計するときの基準温度であり、例えば29℃とされる。この基準温度は29℃に限られるものではない。従ってT0におけるΔf/fは0であるから、T0は(1)式で表される3次関数の変曲点となる。α、β、γは水晶片固有の定数である。
【0003】
周波数温度特性の影響を補償する機能を備えた温度補償水晶発振器(以下、TCXOと記載する)は、水晶振動子が図4中実線で示される周波数温度特性を有する場合に、当該周波数温度特性とは逆の点線で示す周波数温度特性を制御電圧側で持たせるように構成したものである。即ち水晶振動子に印加される制御電圧と水晶振動子の発振周波数とは図5に示すように比例関係にあるので、図6に示すように温度がT0からずれたT1であることにより周波数がΔfだけずれる。そこで温度がT0から例えば高くなるとすると、温度T0のときに水晶振動子が設定周波数となる制御電圧V0をΔfに相当するΔVだけ大きくするように温度補償を行う。具体的には基準温度T0において目標とする発振周波数が得られる制御電圧をV0、Vを補償電圧とするとΔf/f=V/V0であるから、V/V0は(1)式の右辺となり、従ってVは(2)式で表される。
=V0{α(T−T0)3+β(T−T0)+γ}
=α'(T−T0)3+β'(T−T0)+γ'・・・(2)
α’=V0・α、 β’=V0・β、 γ’=V0・γである。α、β、γは恒温槽内にTCXOを設置し、恒温槽内の温度を種々変えて周波数を計測することによって求められる。
【0004】
また、温度Tについては、例えば温度検出器の出力電圧と温度との関係を制御部のメモリ内に記憶させておき、出力電圧に基づいて温度を読み出すことにより求められる。そして温度検出器28として温度と出力電圧とが比例関係にある場合には、温度T及びT0における温度検出器の出力電圧を夫々V及びVT0とし、(1)式に対応する(3)式の演算を行って補償電圧V(上記のΔVに相当する)を求める。
(ΔV)=α(V−VT0)3+β(V−VT0)+γ・・・(3)
なお、α、β、γは恒温槽内にTCXOを設置し、恒温槽内の温度を種々変えて周波数を計測することによって求められる。
【0005】
一方、TCXO1は図7(a)、(b)に示すように基板11と、その基板11上に設けられた例えばATカットの水晶片を備えた水晶振動子21及びICチップである発振制御部22と、基板11上でこれら水晶振動子21及び発振制御部22を覆うカバー12と、を備えている。図7(b)は基板11からカバー12を外した状態を示している。
【0006】
ここで、同じカバー12及び基板11に囲まれる空間に発振制御部22及び水晶振動子21が設けられていることから、発振制御部22に含まれる温度検出器の検出温度は水晶振動子21の周囲温度に等しいものと考えられてきた。しかしながら実際にはICである発振制御部22は供給される電力により発熱しており、その発熱により温度検出器により検出される温度は、水晶振動子の周囲温度よりも若干高くなっている。上記のように各定数の決定後、TCXO1が使用される際には、この水晶振動子21の周囲温度からその発熱によりずれた温度に対応した電圧が3次関数発生器に印加されてしまい、周波数変化を抑えるために必要な補償電圧Vと、実際に印加される補償電圧Vとに誤差が生じる。この誤差がTCXO1で周囲温度の変化において微小な周波数変動を生じる原因になっている。
【0007】
近年では、前記携帯電話などの携帯端末がGPS(Global Positioning System)機能を搭載したGPS受信機として構成されることがある。このGPSはGPS衛生から送信された信号と、前記GPS受信機に搭載された発振器から出力される信号とに基づいてその携帯端末の現在位置を検出するシステムであり、この発振器としてTCXOを用いることが検討されている。そして、このGPSにおいて、携帯端末の位置を精度高く検出するためにはTCXOに特に高い発振精度が要求されるので上記のICの発熱による周波数変動を抑えることが求められている。
【0008】
特許文献1及び特許文献2にはTCXOの構成について記載されているが、上記の問題については記載されておらず、その問題を解決できるものではない。
【特許文献1】特開平6−326516号公報
【特許文献2】特開2004−172831号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、その課題は周囲温度の変化による発振周波数の変動を抑え、高い発振精度を有する温度補償水晶発振器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明の温度補償水晶発振器は、
容器内に設けられた水晶振動子と、
前記容器内に設けられた、水晶振動子を発振させるための発振回路と、
前記容器内に設けられた温度検出器と、
前記水晶振動子に制御電圧を印加する電圧制御部と、
を備え、
前記電圧制御部は、前記温度検出器にて検出された温度をT、基準温度をT0、基準温度T0において水晶振動子の設定周波数が得られる電圧をV0、前記温度検出器により検出された温度と水晶振動子の温度との温度差に相当する設定温度差をΔT、
を予め設定した定数とすると、次式の関係で表され、

=0で表される電圧VをV0に加算した制御電圧を出力するように構成されていることを特徴とする。前記温度検出器、発振回路及び電圧制御部は例えば集積回路チップに設けられている。
【発明の効果】
【0011】
本発明は、温度検出器で検出した温度と、予め設定された、温度検出器により検出された温度と前記水晶振動子との温度差と、に基づいて演算された制御電圧が水晶振動子に印加されて、その発振が制御される。従って前記温度差の影響が抑えられるので、精度高く水晶振動子の発振を制御でき、発振周波数の変動を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
図1は本発明の実施の形態に係るTCXO2の回路構成図である。22は水晶振動子21の発振を制御する発振制御部であり、例えばICチップにより構成されている。23は直流電圧(VCC)の供給端子、24は発振出力の出力端子である。発振制御部22は背景技術の項目で述べたように基準温度Tにおいて目的とする周波数fが得られる制御電圧Vに、温度TとTとの差分に応じた周波数変化分Δfをキャンセルするための補償電圧Vを加算するように構成されている。発振制御部22は、水晶振動子21と共に水晶発振回路20を構成する発振回路25、可変容量ダイオード26、電圧制御部を構成する3次関数発生器27、温度検出器28及びメモリ29を含んでいる。
【0013】
図1に示すTCXO2と従来のTCXO1との差異点として、発振制御部22の3次関数発生器27は(4)式で表される演算を行い、その演算結果である補償電圧Vと、基準温度T0において水晶振動子が設定周波数となる制御電圧V0との加算値を水晶振動子21と発振回路25とによる構成される水晶発振回路20に印加するように設定されている。
=α'(T−T0−ΔT)3+β'(T−T0−ΔT)+γ’・・・(4)
この(4)式においてTは温度検出器28により検出される水晶振動子の周囲温度であり、この温度Tには背景技術の欄で説明したように実際の水晶振動子の周囲温度に発振制御部22の発熱による温度上昇分が含まれている。T0は(1)式、(2)式のT0と同様に水晶振動子の周波数温度特性における変曲点の温度となる基準温度であり、例えば29℃とされる。このT0及びα’、β’、γ’は測定より求められる定数である。このα’、β’、γ’は背景技術の欄にて記載した(2)式のα’、β’、γ’とは必ずしも同じ値ではないが、便宜上同一符号を用いることとする。
【0014】
ここで、温度検出器28の出力電圧と温度との対応関係例えばテーブルやアルゴリズムをメモリ29に予め記憶させておき、出力電圧とメモリ29内の前記対応関係とに基づいて温度Tが求められる。従ってこの温度Tを用いて3次関数発生器27にて3次関数を発生させ、これによりVが求まる。ところで温度検出器28の出力電圧が温度と比例関係にある場合には、上記のように温度と出力電圧との対応関係をメモリ29内に記憶しなくとも、出力電圧を用いてVを求めることができる。図1ではこのような場合を表しており、温度検出器28の出力電圧が3次関数発生器27の入力信号となるので、3次関数発生器27で求められる補償電圧Vは、次の(5)式で表される。
=α(V−VT0−VΔT)3+β(V−VT0−VΔT)+γ・・・(5)
は温度Tにおける温度検出器28の出力電圧、VT0は基準温度T0における温度検出器28の出力電圧である。また、VΔTは水晶振動子21と発振制御部22との温度差ΔTに対応する温度検出器28の出力電圧変動分である。これらα、β、γ、VT0及びVΔTはメモリ29に記憶されている。こうして演算された補償電圧Vを、基準温度T0において設定周波数fを得るための前記制御電圧V0に加算して、水晶振動子21の制御電圧Vを得るが、この例では3次関数発生器27内にて(5)式の演算と、補償電圧VとVとの演算が行われて水晶振動子21に出力するようになっている。
【0015】
(5)式の定数を決定する手順について説明する。先ず、TCXO2を組み立て後、恒温槽に搬入する。そして、例えばこの恒温槽への搬入時に予めメモリ29に任意にα〜γ、VT0及びVΔTの各値を入力しておく。この恒温槽はその内部の温度を自在に変更でき、前記温度を均一に維持することができる。恒温槽内に搬入されたTCXO2の温度検出器28は、例えば恒温槽の外部に設けられた表示画面に接続され、その表示画面にその温度検出値が表示される。また、TCXO2は周波数測定器に接続され、その測定結果が前記表示画面に表示される。
【0016】
続いて、恒温槽内の温度が任意の温度に設定され、槽内がその温度になりその温度が安定した後、例えばTCXO2に電源を投入し、水晶発振回路20が発振する。TCXO2への電源投入後、発振制御部22に流れる電流により発振制御部22が発熱し、その温度が次第に上昇する。作業者は温度検出器28により測定される温度を例えば所定の時間が経過するごとに記録する。恒温槽内の温度と発振制御部22の温度とが次第に平衡し、発振制御部22の温度上昇が収まり、温度検出器28により検出される温度が一定になる。作業者はその検出温度が一定になったことを確認し、その一定になった温度から前記恒温槽内の温度を差し引き、その差し引いた温度値を温度差ΔTとして決定する。このTCXO2では例えば、その温度差ΔTは0.8℃である。
【0017】
この温度差ΔTを決定する工程においては、温度検出器28により検出される温度が一定になるまで測定を続けなくてもよく、例えばTCXO2に電源投入後に所定の間隔で数回温度を測定したらその測定結果から、その温度検出器28により検出される温度上昇が停止して一定になるときの温度を予測し、その予測値から恒温槽内の温度を差し引いて、ΔTを決定してもよい。
【0018】
温度差ΔTの決定後、作業者は例えばα、β、γ、T0を変更して周波数測定器により測定された水晶発振器20の発振周波数と、その設定された恒温槽の温度とをこれら周波数測定器及び恒温槽に接続されたコンピュータに記憶させる。
【0019】
続いて、作業者は恒温槽内の温度を変更し、槽内の温度が安定したら、そのときの水晶発振器20のα、β、γ、T0を変更して得られた発振周波数及び恒温槽内の温度を同様にコンピュータに記憶させる。このような恒温槽の温度変更と、変更後の恒温槽の温度及び発振周波数のコンピュータへの記憶とを所定の回数繰り返し行う。各温度における水晶振動子21の発振周波数を設定周波数まで変化させるために必要な補償電圧Vは、図5から分かっているので、各温度毎に先の(5)式を立てることにより、α、β、γを未知数とする連立方程式が得られる。このため各温度で周波数変化が最小となるα、β、γ、T0が求まる。なお、水晶振動子21は製造工程上どうしてもわずかな周波数のばらつきが生じることから、例えばγはゼロには設定されず、水晶振動子21間の周波数のばらつきを考慮してある値に設定されるが、ゼロとしてもよい。
【0020】
ここで上記の(5)式と従来の(2)式とについて考察する。従来は、温度補償電圧Vを(2)式のように決めた根拠は、周波数の温度特性を表す(1)式においてTを温度検出器で検出する温度として取り扱っていることによる。これに対して上述の実施の形態ではTを温度検出器の温度検出値とした場合、Δf/fは次の(6)式で表されるものとして取り扱っている。
Δf/f=α(T−T0−ΔT)3+β(T−T0−ΔT)+γ・・・(6)
【0021】
ところで従来の(1)式からこの(6)式を差し引くと、(T−T0)についての3次の影響が小さいので、近似式として下記の(7)式で表される(T−T0)についての2次関数が得られる。
(Δf/f)≒A(T−T0)+B(T−T0)+C・・・(7)
A、B、Cはα、β、γ及びΔTによって決定される定数である。
図2、図3はΔTが例えば0.8℃のときの(1)式の3次関数、(7)式の2次関数の例を夫々示したものである。つまり、この例では縦軸のスケールの度合いが大きく違うので図2と図3とに別々に温度特性を示しているが、従来では図2に示す3次関数の特性分だけ補償していて、図3に示す2次関数の特性分が補償されていないことを意味している。その理由は繰り返し述べたように温度検出器28の温度と水晶振動子21の温度とが異なるからである。
【0022】
そこで、温度補償電圧Vを(5)式に基づいて設定すれば、2次関数の特性分も補償されることになる。即ち、図2と図3とを合わせた温度特性をキャンセルするように、TCXO2の補償電圧Vは設定されている。
【0023】
このTCXO2によれば、温度検出器28で検出した周囲温度Tと、予め設定された温度検出器28により検出された温度と前記水晶発振器との温度差である温度差ΔTと、に基づいて、3次関数発生器27が発振回路25に印加する補償電圧Vを決定して、その補償電圧Vに応じた制御電圧Vが水晶発振回路20に印加されている。従って、周囲温度Tが変化したときにおける前記温度差ΔTによる、周波数変動を抑えるために必要な補償電圧Vと実際に水晶発振回路20に印加される補償電圧Vとのずれが抑えられる。その結果として、前記周波数変動を抑えることができ、精度高く水晶振動子を発振させることができる。
【0024】
ところで、補償電圧Vが(T−T0−ΔT)についての3次関数である例について説明してきたが、Vはこのような3次関数に限られず、4次関数や5次関数などの3次以上の高次関数として設定されていてもよい。このVは、次の式(8)で表すことができる。

この式(8)でKは予め設定した定数であるが、ただしK=0である。つまり、既述の例では(8)式においてn=3である場合について説明しており、上記の(4)式と対応させると、K=α’、K=β’、K=γ’である。そして、(8)式においてnは4以上の整数として設定されてもよく、例えばn=4である場合、n=5である場合にはVは夫々下記の(9)式、(10)式で表すことができる。
=K4(T−T0−ΔT)4+K3(T−T0−ΔT)3+K1(T−T0−ΔT)+K0
・・・(9)
=K5(T−T0−ΔT)5+K4(T−T0−ΔT)4+K3(T−T0−ΔT)3
+K1(T−T0−ΔT)+K0
・・・(10)
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1】本発明の実施形態に係るTCXOの回路構成図である。
【図2】前記TCXOに設けられた水晶振動子の温度特性の3次関数分を示したグラフ図である。
【図3】前記水晶振動子の温度特性の2次関数分を示したグラフ図である。
【図4】水晶振動子の3次関数分の温度特性と、それを補償する補償電圧の変化とを示したグラフ図である。
【図5】発振回路に印加される制御電圧と発振周波数との関係を示したグラフ図である。
【図6】周囲温度と周波数偏差との関係を示したグラフ図である。
【図7】TCXOの外観斜視図である。
【符号の説明】
【0026】
11 基板
12 カバー
20 水晶発振回路
21 水晶振動子
22 発振制御部
25 発振回路
27 3次関数発生器
28 温度検出器
29 メモリ
1,2 TCXO(温度補償水晶発振器)

【特許請求の範囲】
【請求項1】
容器内に設けられた水晶振動子と、
前記容器内に設けられた、水晶振動子を発振させるための発振回路と、
前記容器内に設けられた温度検出器と、
前記水晶振動子に制御電圧を印加する電圧制御部と、
を備え、
前記電圧制御部は、前記温度検出器にて検出された温度をT、基準温度をT0、基準温度T0において水晶振動子の設定周波数が得られる電圧をV0、前記温度検出器により検出された温度と水晶振動子の温度との温度差に相当する設定温度差をΔT、
を予め設定した定数とすると、次式

の関係で表され、
=0で表される補償電圧VをV0に加算した制御電圧を出力するように構成されていることを特徴とする温度補償水晶発振器。
【請求項2】
温度検出器、発振回路及び電圧制御部は集積回路チップに設けられていることを特徴とする請求項1記載の温度補償水晶発振器。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【公開番号】特開2010−171968(P2010−171968A)
【公開日】平成22年8月5日(2010.8.5)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−298574(P2009−298574)
【出願日】平成21年12月28日(2009.12.28)
【出願人】(000232483)日本電波工業株式会社 (1,148)
【Fターム(参考)】