JP2002076772A

JP2002076772A - 温度補償水晶発振器

Info

Publication number: JP2002076772A
Application number: JP2000256099A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Mizumura; 浩明水村; Hirokatsu Tanaka; 啓勝田中
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2000-08-25
Filing date: 2000-08-25
Publication date: 2002-03-15

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】雑音特性に優れて、表面実装用とした特に平面
外形を小さくした小型な温度補償発振器を提供する。【解決手段】水晶振動子４とこれを除く発振回路からな
る水晶発振器５と、前記水晶発振器の発振周波数を調整
する周波数調整機構部１６と、温度に応答して抵抗値の
変化する感温抵抗素子を含む温度補償素子からなり前記
水晶発振器の周波数温度特性を平坦にする温度補償回路
２とを有する温度補償水晶発振器において、前記水晶発
振器の発振閉ループに電圧可変容量素子３を挿入すると
ともに、少なくとも前記温度補償回路と水晶振動子とを
除く発振回路と周波数調整機構部とをＩＣチップに集積
化し、前記周波数調整機構部を記憶回路２０と周波数調
整電圧発生回路１９とから形成し、前記記憶回路からの
信号に基づく前記周波数調整電圧発生回路からの周波数
調整電圧を前記電圧可変容量素子に印加して発振周波数
を調整する構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、温度に依存して抵
抗値の変化する感温抵抗素子を温度検出手段とした表面
実装用の温度補償水晶発振器（以下、温度補償発振器と
する）を産業上の技術分野とし、特に雑音特性を良好と
して小型化に適した温度補償発振器に関する。

【０００２】

【従来の技術】（発明の背景）温度補償発振器は、温度
によって変化する発振周波数を補償して安定にすること
から、特に移動無線機器等の動的環境下で使用される電
子機器に広く採用されている。そして、近年の携帯電話
に代表されるように電子機器の小型化に基づき、発振回
路及び温度補償回路を集積化した１チップＩＣ（ＬＳ
Ｉ）と水晶片とを容器に収容して表面実装用とした温度
補償発振器がある。

【０００３】（従来技術の一例）第１１図は従来例を説
明する温度補償発振器の概略したブロック回路図であ
る。温度補償発振器は電圧制御発振器１と温度補償回路
２からなる。電圧制御発振器１は水晶発振器の発振閉ル
ープ内に電圧可変容量素子３を挿入してなる。水晶発振
器は水晶振動子４及びこれを除く帰還増幅器等（未図
示）を含む発振回路５からなる。そして、周波数温度特
性を水晶振動子（ここではＡＴカット）の切断角度に起
因して、低温側に極大値を、常温に変曲点を、高温側に
極大値を有する三次曲線とする（第１２図の曲線イ）。

【０００４】温度補償回路は、概ね、三次関数電圧発生
回路６、記憶回路７及び温度センサ８からなる。概略す
ると、三次関数電圧発生回路６は、前述した水晶発振器
の周波数温度特性に応答した補償電圧Ｖs(T)を発生す
る。補償電圧Ｖs(T)は例えば下式（１）によって設定さ
れる。各次数の係数α、β及びγは水晶発振器の周波数
温度特性を実測後の温度補償データによって決定され
る。但し、T0は変曲点温度（約２７℃）、Tは周囲温度
である。Ｖs(T)＝α（T−T0）３＋β（T−T0）＋γ…（１）

【０００５】記憶回路７は例えばＰＲＯＭとして温度補
償データを保持する。温度補償データは制御端子を含む
書込端子ａ〜ｎからデジタル的に書き込まれる。温度セ
ンサ８は例えばＩＣチップ内部に設けたＰＮ接合領域に
おける順方向降下電圧の温度特性を利用し、周囲温度に
応答した検出電圧（温度検出信号）を発生する。

【０００６】これらのものでは、温度センサ８による温
度検出信号によって周囲温度に依存した補償電圧Ｖs(T)
を発生し、電圧制御発振器１の電圧可変容量素子３に印
加する。電圧可変容量素子３は補償電圧Ｖs(T)によって
端子間容量が変化する。したがって、水晶振動子４から
見た回路側の直列等価容量（所謂負荷容量）が変化する
ので、温度に応答して発振周波数も変化し（第１２図の
曲線ロ）、結局、温度補償される。

【０００７】なお、（１）式の係数（定数項）γは常温
時（厳格には変曲点温度）の発振周波数を制御する。ま
た、図中の符号９は高周波阻止抵抗、Ｖccは電源、Ｖo
ｕtは発振出力である。

【０００８】このような温度補償発振器では、水晶振動
子４を除く電圧制御発振器１及び温度補償回路２が一点
鎖線で示すＩＣチップ１０に集積化される。したがっ
て、温度補償発振器は、基本的に、水晶振動子４とＩＣ
チップ１０の２素子になる。これにより、大幅な小型化
を達成できる。

【０００９】一般には、積層セラミックからなる表面実
装容器１１の一方の凹部底面に導電性接着剤１２によっ
て水晶振動子４を形成する水晶片４ａの一端部を固着
（保持）し、例えばシーム溶接によりカバー１３を接合
して密閉封入する。そして、他方の凹部底面に超音波熱
圧着によってＩＣチップ１０をフェースダウンボンディ
ングする（第１３図）。あるいは、表面実装容器１１の
凹部底面にＩＣチップ１０を、段部に水晶片４ａを保持
して密閉封入した構成とする（第１４図）。

【００１０】なお、図中の符号１４はシーム溶接用の金
属リング、同１５は保護用の充填材である。なお、スペ
ース及び必要に応じて、電源とアース間のバイパスコン
デンサ等のＩＣ化が困難な大容量のコンデンサが収容さ
れる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】（従来技術の問題点）
しかしながら、上記構成の温度補償発振器では、温度補
償回路の温度検出手段として、前述のようにＩＣチップ
内部に設けたＰＮ接合領域における順方向降下電圧の温
度特性を利用する。すなわち、温度に対して電圧変化の
少ない温度特性を利用して、温度検出信号を形成する。
したがって、ＩＣチップの内部に生ずるノイズ成分が検
出信号に対して相対的に大きくなって、雑音特性が劣化
する。また、微弱な検出信号を増幅して制御するので消
費電流が増える等の問題があった。

【００１２】（発明の目的）本発明は、雑音特性に優れ
て、表面実装用とした特に平面外形を小さくした小型な
温度補償発振器を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】（着目点）本発明は、既
存の温度補償回路に採用される感温抵抗素子例えば温度
係数を負としたサーミスタを温度検出手段として、しか
も上記構成の一部を採用する点に即ち三次関数電圧発生
回路の定数項γによって発振周波数を調整する点に着目
した。

【００１４】（解決手段）本発明は、水晶発振器の発振
閉ループに電圧可変容量素子を挿入するとともに、少な
くとも温度感温素子からなる温度補償回路と水晶振動子
とを除く発振回路と周波数調整機構部とをＩＣチップに
集積化する。そして、周波数調整機構部を記憶回路と周
波数調整電圧発生回路とから形成し、記憶回路からの信
号に基づく周波数調整電圧発生回路からの周波数調整電
圧を電圧可変容量素子に印加して発振周波数を調整した
ことを第１の解決手段とする（請求項１）。

【００１５】また、水晶振動子を形成する水晶片と第１
解決手段のＩＣチップを表面実装容器内に収容し、表面
実装容器の裏面に設けた切欠部に温度補償回路（温度補
償素子）を配置したことを第２の解決手段とする（請求
項４）。

【００１６】

【作用】本発明では、温度補償回路の温度検出手段とし
て従前同様に感温抵抗素子を使用するので、ＩＣチップ
の内部雑音に対して温度検出信号のレベルを相対的に大
きくする。そして、周波数調整機構をＩＣチップ内に集
積化したので、調整用のコンデンサを不要にする（第１
の解決手段）。

【００１７】また、温度補償素子を表面実装容器の裏面
に設けた切欠部に配置したので平面外形を小さくできる
（第２の解決手段）。以下、本発明の実施例を異なる二
つの補償方式（請求項２、請求項３）を例として説明す
る。

【００１８】

【第１実施例】第１図は本発明の第１実施例を説明する
温度補償発振器の概略的なブロック回路図である。な
お、前従来例図と同一部分には同番号を付与してその説
明は簡略又は省略する。温度補償発振器は、電圧制御発
振器１と温度補償回路２と周波数調整機構部１６からな
る。電圧制御発振器１は前述同様に水晶発振器の発振閉
ループ内に電圧可変容量素子３を挿入してなる。温度補
償回路２は感温抵抗素子からなる感温抵抗回路網からな
る。ここでの感温抵抗素子は、温度上昇とともに抵抗値
の減少する負の温度係数を有するサーミスタとする。

【００１９】感温抵抗回路網は、この例では第２図に示
したように水晶発振器の周波数温度特性に応答して極大
値以下の低温部、極大値から極小値間の常温を含む中温
部、及び極大値以上の高温部に応答して抵抗値の変化す
る３つのサーミスタ１７（ａｂｃ）からなる。そして、
周囲温度に応答する前述した補償電圧Ｖs(T)を発生し、
これを電圧可変容量素子３に印加する。符号１８は特に
高温側の補償電圧を調整する高温補償調整抵抗である。

【００２０】周波数調整機構部１６は、周波数調整電圧
発生回路１９と記憶回路２０からなる。周波数調整電圧
発生回路１６は記憶回路２０からの信号によって調整電
圧を電圧可変容量素子３に印加し、発振周波数を調整す
る。記憶回路２０は前述した（１）式の定数項γを決定
する周波数調整データを制御端子を含む書込端子ａ〜ｎ
から書き込まれ、これを記憶して保持する。

【００２１】このようなものでは、水晶振動子４に加え
て温度補償回路２をディスクリート部品で構成する。そ
して、一点鎖線で示したように、温度補償回路２及び水
晶振動子４を除く電圧制御発振器１及び周波数調整機構
部１６をＩＣチップ１０に集積化する。そして、例えば
以下の構造とする。

【００２２】すなわち、第３図に示したように、表面実
装容器１１の凹部底面にＩＣチップ１０を例えば超音波
熱圧着によるフェースダウンボンディングにより、水晶
片４ａの一端部を導電性接着剤１２によって段部に固着
する。そして、裏面の両端側に設けた切欠部２１（ａ
ｂ）に温度補償回路２を形成するチップ素子からなる３
つのサーミスタ１７（ａｂｃ）及び高温補償調整抵抗１
８を配置する。ここでは、各サーミスタ１７（ａｂｃ）
に対して直列及び並列に接続されて、それぞれの温度抵
抗特性を調整する個々の感度調整抵抗は使用せず、予め
設定された常温抵抗値及びＢ定数のサーミスタ１７（ａ
ｂｃ）を選択する。

【００２３】表面実装容器１１は、前述のように積層セ
ラミックからなり、この例では上枠１１ａ、両端側に段
部を形成する中枠１１ｂ、及び両側に切欠部２１（ａ
ｂ）を有してエ字状とした底壁１１ｃの三層構造とする
（第４図）。なお、切欠部２１（ａｂ）は両端側から段
部の下方に延出し、底壁の四隅裏面及び側面に実装電極
（未図示）が形成される。また、第５図は金属リングを
除く、表面実装容器の外観図である

【００２４】このような構成であれば、温度補償回路２
の温度検出手段としてサーミスタ１７を使用するので、
前述したＰＮ接合の順方向降下電圧を使用する場合に比
較し、温度に対する抵抗変化（検出電圧）を大きくでき
る。したがって、ＩＣチップ１０の内部に生ずるノイズ
（内部雑音）を相対的に小さくする。このことから、温
度補償発振器の雑音特性を良好にできる。そして、検出
電圧（温度検出信号）をそのまま使用して増幅する必要
もないので消費電流を抑えることができる。

【００２５】また、周波数調整機構１６をＩＣチップ１
０に集積化し、温度補償発振器の組立後に発振周波数を
書込信号によって、温度補償回路２とは別個に独立的に
調整する。したがって、周波数調整用のコンデンサを使
用する場合に比較し、小型化を促進する。なお、コンデ
ンサを使用することなく温度補償回路２からの補償電圧
Ｖs(T)によってのみ発振周波数をも調整する場合に比較
すると、温度補償回路２の設計（各素子値の選定）を容
易にする。

【００２６】そして、この例では、素子値（常温抵抗値
及びＢ定数）が予め設定されたサーミスタ１７（ａｂ
ｃ）を使用するので、個々の感度調整抵抗を不要にす
る。したがって、温度補償回路は低温、中温及び高温部
に応答した３つのサーミスタ１７（ａｂｃ）及び高温補
償調整抵抗１８の４素子にでき、温度補償回路の温度補
償素子数を最小限にする。

【００２７】これらのことから、表面実装容器１１の裏
面側に設けた切欠部２１（ａｂ）に温度補償素子を配置
できて、特に平面外形を小さくできる。また、この例で
は、切欠部２１（ａｂ）を段部の下方に位置する底壁１
１ｃの両端部に設けたので、セラミックの積層数を増や
すことなく、高さ寸法を従来例と同程度に小さく維持で
きる。

【００２８】

【第２実施例】第６図は本発明の第２実施例を説明する
温度補償発振器の概略的なブロック回路図である。な
お、第１実施例と同一部分の説明は省略する。すなわ
ち、第１実施例では従来例と同様に補償電圧Ｖs(T)を電
圧制御発振器１（電圧可変容量素子３）に印加して温度
補償する所謂間接法に適用した例を示したが、第２実施
例ではサーミスタとコンデンサの並列回路からなり、並
列回路の端子間容量（等価直列容量）の変化を利用した
所謂直接法に適用した例を示す。

【００２９】温度補償発振器は、前述同様に電圧制御発
振器１と温度補償回路２と周波数調整機構部１６からな
る。そして、温度補償回路２と水晶振動子４をディスク
リート部品とし、少なくとも温度補償回路２及び水晶振
動子４を除く電圧制御発振器１と周波数調整機構部１６
をＩＣチップに集積化する。

【００３０】温度補償回路２は水晶振動子４に直列に接
続して、電圧制御発振器１の発振閉ループ内に挿入され
る。ここでは、第７図に示したように、それぞれがサー
ミスタ１７H、１７Lとコンデンサ２２H、２２Lの並列回
路からなる高温補償回路２３Hと低温補償回路２３Lを直
列接続して構成される。そして、水晶振動子４（水晶発
振器）の周波数温度特性は常温付近に変曲点を有する単
調増加の三次曲線に選択される。高温及び低温補償回路
はそれぞれが常温を基準とした高温及び低温領域の周波
数温度特性を独立的に温度補償する。

【００３１】すなわち、高温補償回路２３Hは温度上昇
とともにサーミスタ１７Hの抵抗値が低下して端子間容
量が増加するので、発振周波数を矢印Ａで示すように低
下させる。また、低温補償回路２３Lは温度低下ととも
にサーミスタ１７Lの抵抗値が増加して端子間容量が減
少するので、発振周波数を矢印Ｂで示すように高める方
向に作用する。したがって、水晶発振器の周波数温度特
性を平坦に補償する。なお、サーミスタ１７Hの常温抵
抗値は高く、サーミスタ１７Lの同抵抗値は小さくして
それぞれの動作を独立的にする。

【００３２】そして、これらのものでは、前述したと同
様に表面実装容器１１の凹部底面にＩＣチップ１０を固
着し、水晶片４ａを段部に保持する。そして、裏面の切
欠部２１（ａｂ）に高温及び低温補償回路のサーミスタ
１７H、１７L及びコンデンサ２２H、２２Lを一組ずつ配
置する。サーミスタ１７H、１７Lは前述同様に予め設定
された素子値のものが選択され、感度調整抵抗は使用し
ない。

【００３３】このような構成であれば、第１実施例と同
様に温度検出手段としてサーミスタ１７を使用するので
温度に対する抵抗変化を大きくして、ＩＣチップ１０の
内部に生ずるノイズを相対的に小さくし、温度補償発振
器の雑音特性を良好にして消費電流を抑えられる。

【００３４】また、周波数調整機構１６をＩＣチップ１
０に集積化して、発振周波数を書込信号によって調整す
る。したがって、例えば温度補償回路に接続した周波数
調整用のコンデンサを不要にして、小型化を促進する。

【００３５】そして、この例でも、サーミスタ１７H、
１７Lは、感度調整抵抗を使用しないので最小限の素子
数とする（参照：特開平11-284436号公報）。これらの
ことから、表面実装容器１１の裏面側に設けた切欠部２
１（ａｂ）に温度補償素子を配置できて、特に平面外形
を小さくできる。

【００３６】

【他の事項】上記各実施例では、サーミスタ１７はチッ
プ素子としたが、例えば薄板上の電極間に印刷によって
サーミスタ母材を形成したものでもよい。この場合、サ
ーミスタ母材を切除して常温抵抗値を調整してもよい
（参照：前特開平11-284436号公報）。なお、切欠部１
６（ａｂ）のスペース及び必要に応じて感度調整抵抗を
接続してもよい。

【００３７】また、切欠部２１（ａｂ）は底壁１１ｃの
長さ方向の両端側に設けたが、幅方向の両側に中間枠１
１ｂの枠幅を越えない範囲で設けてもよい（未図示）。
また、例えば平板とした底壁に下枠を設けて凹部を形成
し、感度調整抵抗を含むサーミスタ１７（ａｂｃ）等の
温度補償素子を配置してもよい（第９図）。また、サー
ミスタ母材２４（ａｂｃ）及び感度調整抵抗２５（ａｂ
ｃ）が印刷によって形成された薄板２６を配置し、サー
ミスタ１７の調整範囲を広げてももよい。但し、積層数
が増えて高さが大きくなるので上記実施例の方が有利で
ある。

【００３８】また、ＩＣチップ１０には温度補償回路２
及び水晶振動子４を除く電圧制御発振器１と周波数調整
機構部１６を集積化したが、電圧制御発振器１の電圧可
変容量素子３は別個（ディスクリート）にして表面実装
発振器１１の凹部底面に配置してもよい。なお、こうす
ることで、電圧可変容量素子３を容易に変えることがで
き、電圧可変容量素子３の電圧−容量特性の選択の自由
度を上げることができる。

【００３９】また、これとは逆に、例えばＡＦＣ（周波
数自動制御）機構をＩＣチップ１０内に集積化してＡＦ
Ｃ電圧を電圧可変容量素子３に印加するようにしてもよ
く、これらのＩＣチップ１０への集積化は本発明の趣旨
を逸脱しない範囲で必要に応じて選択できる。

【００４０】また、表面実装容器１１の底壁１１ｃは、
切欠部２１に配置されるチップ素子の高さ寸法等に応じ
て複数層としてもよい。これは、焼成前のセラミックシ
ートの厚みに制約があること等に起因する。また、切欠
部２１が段部の内端に接近する場合は接合面の強度が低
下して亀裂等を生じるおそれがある。この場合には、例
えば底壁１１ｃを上下層に分割し、上層は平板として下
層をエ字状とすればよい。但し、上層は下層に対して極
力薄くして（例えば1/3以下）高さ寸法を抑える。

【００４１】また、表面実装容器１１のカバーはシーム
溶接としたが、樹脂やガラスによる封止としてもよい。
また、感温抵抗素子は負の温度係数を有するサーミスタ
としたが、正の温度係数を有するポジスタであっても構
成できる。また、第１実施例での高温補償調整抵抗１８
は水晶発振器の周波数温度特性等に応じて省略できる。

【００４２】また、第１実施例では、感温抵抗網は低温
部、中温部及び高温部の３領域に分けてこれらに対応し
た３つのサーミスタから形成したが、これらは水晶振動
子（水晶発振器）の周波数温度特性や仕様規格温度に応
じて例えば低温部及び高温部の２領域に分けてこれに対
応した２つのサーミスタから形成してもよい。

【００４３】

【発明の効果】本発明は、水晶発振器の発振閉ループに
電圧可変容量素子を挿入するとともに、少なくとも温度
感温素子からなる温度補償回路と水晶振動子とを除く発
振回路と周波数調整機構部とをＩＣチップに集積化す
る。そして、周波数調整機構部を記憶回路と周波数調整
電圧発生回路とから形成し、記憶回路からの信号に基づ
く周波数調整電圧発生回路からの周波数調整電圧を電圧
可変容量素子に印加して発振周波数を調整する。また、
水晶振動子を形成する水晶片とＩＣチップを表面実装容
器内に収容し、表面実装容器の裏面に設けた切欠部に温
度補償回路（温度補償素子）を配置したので、雑音特性
に優れて、表面実装用とした特に平面外形を小さくした
小型な温度補償発振器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を説明する温度補償発振器
（間接法）の概略的なブロック回路図である。

【図２】本発明の一実施例を説明する温度補償回路（補
償電圧発生回路）の図である。

【図３】本発明の一実施例に適用される温度補償発振器
の構造断面図である。

【図４】本発明の一実施例に適用される表面実装容器の
分解図である。

【図５】本発明の一実施例に適用される表面実装容器の
外観図である。

【図６】本発明の第２実施例を説明する温度補償発振器
（直接法）の概略的なブロック回路図である。

【図７】本発明の第２実施例を説明する温度補償回路の
回路図である。

【図８】本発明の第２実施例に適用する水晶発振器の周
波数温度特性図である。

【図９】本発明の各実施例に適用される温度補償発振器
の他の構造断面図である。

【図１０】本発明の例えば第１実施例に適用される他の
例を示すサーミスタの図である。

【図１１】従来例を説明する温度補償発振器の概略的な
ブロック回路図である。

【図１２】従来例を説明する水晶発振器の周波数温度特
性図である。

【図１３】従来例を説明する温度補償発振器の構造断面
図である。

【図１４】従来例を説明する温度補償発振器の構造断面
図である。

【符号の説明】

１電圧制御発振器、２温度補償回路、３電圧可変
容量素子、４水晶振動子、９高周波阻止抵抗、１０
ＩＣチップ、１１表面実装容器、１２導電性接着
剤、１３カバー、１４金属リング、１５充填材、
１６周波数調整機構部、１７サーミスタ、１８高
温補償調整抵抗、２１切欠部、２２コンデンサ、２３
補償回路、２４サーミスタ母材、２５感度調整抵
抗、２６薄板．

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水晶振動子とこれを除く発振回路からなる
水晶発振器と、前記水晶発振器の発振周波数を調整する
周波数調整機構部と、温度に応答して抵抗値の変化する
感温抵抗素子を含む温度補償素子からなり前記水晶発振
器の周波数温度特性を平坦にする温度補償回路とを有す
る温度補償水晶発振器において、前記水晶発振器の発振
閉ループに電圧可変容量素子を挿入するとともに、少な
くとも前記温度補償回路と水晶振動子とを除く発振回路
と周波数調整機構部とをＩＣチップに集積化し、前記周
波数調整機構部を記憶回路と周波数調整電圧発生回路と
から形成し、前記記憶回路からの信号に基づく前記周波
数調整電圧発生回路からの周波数調整電圧を前記電圧可
変容量素子に印加して発振周波数を調整することを特徴
とする温度補償水晶発振器。
【請求項２】前記温度補償回路は前記感温抵抗素子を主
とした感温抵抗網からなり、前記電圧可変容量素子に印
加して前記水晶発振器の周波数温度特性を平坦にする補
償電圧を発生する請求項１の温度補償水晶発振器。
【請求項３】前記温度補償回路は前記水晶発振器の発振
閉ループに挿入される前記感温抵抗素子とコンデンサの
並列回路からなり、温度に応答して前記並列回路の端子
間容量を変化して前記水晶発振器の周波数温度特性を平
坦にする請求項１の温度補償水晶発振器。
【請求項４】請求項１において、前記水晶振動子を形成
する水晶片と前記ＩＣチップを表面実装容器内に収容
し、前記表面実装容器の裏面に切欠部を設け、前記切欠
部に前記温度補償素子を配置したことを特徴とする温度
補償発振器。