JP2006339891A

JP2006339891A - 水晶発振器

Info

Publication number: JP2006339891A
Application number: JP2005160506A
Authority: JP
Inventors: Munetaka Soejima; 宗高副島
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2005-05-31
Filing date: 2005-05-31
Publication date: 2006-12-14

Abstract

【課題】本発明の目的は広い温度範囲で厳しい温度特性が要求される規格を満足することが可能な水晶発振器を提供することにある。
【解決手段】
水晶振動板１３と半導体部品１と収納容器１１と蓋体１２とを少なくとも基本構成部品として組立る水晶発振器１０であって、水晶振動板と半導体部品と収納容器と蓋体とを少なくとも基本構成部品として組立る水晶発振器であって、動作温度環境における出力周波数の偏差を左右する前記半導体部品の持つ温度特性を補正する手段として、前記半導体部品の持つ温度係数が正または負の一次関数に対して、前記水晶素板は負または正の一次関数分だけカットアングルを補正した。
【選択図】図２

Description

本発明は、携帯用通信機器等の電子機器に用いられる水晶発振器の温度特性の改善に関するものである。

従来より、携帯用通信機器等の電子機器に水晶発振器が用いられている。

かかる従来の水晶発振器としては、例えば図１０に示す如く、コルピッツ型の水晶発振回路が用いられていた。この水晶発振器は、コルピッツ型の発振回路１０１と、この発振回路１０１の入力に接続された水晶振動子１０２とを備え、これらが水晶発振回路を構成する。ここでは、水晶振動子１０２としてＡＴ板を用いるものとする。水晶発振回路の入力には、水晶振動子１０２に直列に、制御電圧の印加により容量が変化してこの水晶発振回路の発振周波数を調整する可変容量素子１０４を備える。この可変容量素子１０４としては、例えば可変容量ダイオード（バリキャップダイオード）を用いる。この水晶発振器はさらに、可変容量素子１０４に周囲温度に応じた制御電圧を印加して温度変化による発振回路１０１の発振周波数の変動を補償するため、三次関数発生回路１０３、温度センサー、Ｐ−ＲＯＭ等を備える間接型温度補償方式の水晶発振器となっている。

三次関数発生回路１０３は、温度センサーにより検出された周囲温度に対し、Ｐ−ＲＯＭまたはＲＡＭから与えられる３次関数の各次数の項の係数および定数に応じた３次関数を発生し、可変容量素子１０４に制御信号として与える。
特開平０９―２６６４０９号公報

なお、出願人は前記した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を、本件出願時までに発見するに至らなかった。

しかしながら、従来の水晶発振器の温度特性の補正方法は水晶振動子１０２自身の温度特性を三次関数発生回路１０３で補完することで行っていたが、実際には計算上の温度特性の補正量と実側上の温度特性の補正量に差異が生じ、広い温度範囲で厳しい温度特性が要求される例えばＧＰＳ機能を搭載した通信機器に応用する場合、実側上の温度特性の補正量を計算上の温度特性の補正量に合わせ込むことが必要となる。

また従来の水晶発振器の温度特性の補正方法では、上述の実側上の温度特性と計算上の温度特性のずれる原因が明確に解明されておらず、広い温度範囲で厳しい温度特性が要求される規格を満足する水晶発振器を得ることが困難であるという問題があった。
よって、本発明の目的は広い温度範囲で厳しい温度特性が要求される規格を満足することが可能な水晶発振器を提供することにある。

本発明の水晶発振器は、水晶振動板と半導体部品と収納容器と蓋体とを少なくとも基本構成部品として組立る水晶発振器であって、動作温度環境における出力周波数の偏差を左右する前記半導体部品の持つ温度特性を補正する手段として、前記半導体部品の持つ温度係数が正または負の一次関数に対して、前記水晶素板は負または正の一次関数分だけカットアングルを補正した水晶振動板を用いたことを特徴とする。

要するに半導体部品を使用する温度環境の温度範囲の中で、僅かな傾きの一次関数の温度特性を持っていた場合に、半導体部品の持つ温度係数が正または負の一次関数に対して、水晶素板は負または正の一次関数分だけカットアングルを補正した水晶振動板との組合せにより、動作温度範囲全域で温度特性を平坦にすることを可能とするものである。

従って、半導体部品の温度特性が低温から高温にかけて負の温度特性（右下がり）を持つ物で有れば、組合せる水晶振動板のカットアングルの温度特性傾向が正の温度特性を使用し、その逆に、低温から高温にかけて正の温度特性（右上がり）を持つ物で有れば、組合せる水晶振動板のカットアングルの温度特性傾向が負の温度特性を使用することで半導体部品の温度特性を補完し水晶発振器自体の出力周波数偏差を最小にするものである。

本発明の水晶発振器によれば、水晶振動板と半導体部品と収納容器と蓋体とを少なくとも基本構成部品として組立る水晶発振器であって、動作温度環境における出力周波数の偏差を左右する前記半導体部品の持つ温度特性を補正する手段として、前記半導体部品の持つ温度係数が正または負の一次関数に対して、前記水晶素板は負または正の一次関数分だけカットアングルを補正することによって、計算上の温度特性の補正量に実側上の温度特性の補正量を近づけることが可能となる。

以下に図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。なお、各図においての同一の符号は同じ対象を示すものとする。

図１は本発明の実施形態にかかる水晶発振器１０の断面図である。図１において、温度補償方式の水晶発振器１０は、上面及び下面側に凹部状キャビティー部が形成された概略直方体状の容器１１、矩形状の水晶振動板１３、制御回路を構成する半導体部品１、蓋体１２及びアンダーフィル樹脂１４とから主に構成されている。

図２は、本発明の実施形態に係る間接型の温度補償方式の水晶発振器１０の構成及び半導体部品１（ＩＣ）の概略の例を示す図である。この間接型の温度補償方式の水晶発振器１０は、周囲温度を検出して電圧変化に変換する温度センサー５と、この温度センサー５により検出した電圧変化に基づいて温度補償電圧を発生する三次関数発生回路３と、この三次関数発生回路３の発生する電圧に基づいて容量が変化する可変容量素子４（ＶＣ）とを備え、これらを半導体部品１（ＩＣ）の内部に集積し、その端子から所定の周波数で励振される水晶振動板１３を有する水晶振動子２が接続されている。

ここで本発明の水晶発振器１０においては、計算上の温度特性の補正量と実側上の温度特性の補正量の差異の原因を明確にするために、水晶振動子２と半導体部品１（ＩＣ）に分離して各々の温度特性を測定することにした。

まず、水晶振動子２の温度特性については、半導体部品１（ＩＣ）を接続しない状態の温度特性を測定し、また半導体部品１（ＩＣ）の温度特性については、常温雰囲気下（＋２５℃）で外部からの温度センサー５の代わりになる電圧を印加し周波数を測定することとし、以下の手順で温度特性を測定した。
（１）水晶発振器１０を恒温槽８内に入れ、恒温槽８内を−３０℃〜＋８５℃に変化させ温度センサー５から出力される電圧を測定する。
（２）（１）で測定した温度センサー５の電圧履歴を常温雰囲気下（＋２５℃）で半導体部品１（ＩＣ）内に直接入力し、周波数の変化を測定する。

上記（１）（２）の手順で測定することで、半導体部品１（ＩＣ）には疑似的な温度変化が起こるが、水晶振動子２は常温雰囲気下（＋２５℃）のため温度変化の影響を受けないので、半導体部品１（ＩＣ）のみの温度特性を測定することができる。

以下に実際の測定データをもとに詳細に説明する。
図３は水晶振動子２単体の温度特性を多数個測定（以下の図においてもバラツキを測定するため多数個の測定結果を図示している。）した場合であり、縦軸は周波数変化量Δｆ（ppm）、横軸は温度（℃）を表している。ここで水晶振動子２は周波数１６．３６８ＭＨｚを用いている。
次に半導体部品１（ＩＣ）単体の温度特性を確認するために、上述（１）にあるように恒温槽８の温度を−３０℃〜＋８５℃に変化させ温度センサー５から出力される電圧を測定した。その結果を図４に示す。図４における縦軸は温度センサー電圧（Ｖ）、横軸は恒温槽８内の温度（℃）である。また、図５は図２に示す測定回路において、事前に測定しておいた温度センサー５の電圧履歴を常温雰囲気下（＋２５℃）で、図２に示すマルチメータ６から三次関数発生回路３に電圧を入力して得られた電圧と周波数変化の関係であり、図５においては、温度センサー５に印加した電圧を温度（℃）に変換した値を横軸としている。また、ここで図５に示す温度による周波数変化が温度補償曲線を意味している。

次に、温度補償をしない水晶発振器１０の温度特性、即ち温度が変わっても可変容量素子４（ＶＣ）に加わる電圧の変化がない場合の水晶発振器１０の温度特性を図６に示す。これは図３に示した水晶振動子２の温度特性と比較すると時計回りに回転していることがわかる。これら図６と図３の差から図７に示す半導体部品１（ＩＣ）の温度特性を得ることができる。図７より半導体部品１（ＩＣ）自身が負の傾きをもつ温度特性であることがわかった。この半導体部品１（ＩＣ）自身のもつ負の温度特性は計算上の温度特性の補正量には考慮されておらず、これが、実側の温度特性と計算上の温度特性のずれに起因することが解った。

よって以上の結果より、水晶発振器１０の温度特性を改善するには、この半導体部品１（ＩＣ）自身のもつ負の温度特性の傾きを水晶振動板１３のカットアングルを変えることにより、水晶振動子２自身の温度特性の傾きを変えることで半導体部品１（ＩＣ）の温度特性を補完することを検討した。即ち、半導体部品１（ＩＣ）自身のもつ温度特性の負の傾きを打ち消すように、水晶振動子２自身の温度特性が正の傾きを持つように水晶振動板１３のカットアングルを変更してみた。その結果を図８に示す。

図８は上述の半導体部品１（ＩＣ）自身のもつ温度特性の負の傾きを打ち消すように、水晶振動板１３のカットアングルを変更し、温度補償をしない場合（温度が変わっても可変容量素子４（ＶＣ）に加わる電圧の変化がない場合）の水晶発振器１０の温度特性を測定した結果である。図８と図６に示す従来のカットアングルを変更しない水晶振動板１３の温度補償をしない場合（温度が変わっても可変容量素子４（ＶＣ）に加わる電圧の変化がない場合）の水晶発振器１０の温度特性と比較すると、図８に示す水晶振動板１３のカットアングル変更品が−３０℃〜＋８５℃の温度範囲において周波数変化量が小さくなっているのがわかる。

以上の結果より、本発明の水晶発振器１０においては、動作温度範囲内の周波数偏差を最小とするために、動作温度環境の温度範囲で半導体部品１（ＩＣ）の温度特性を測定して、分類し、分類後の半導体部品１（ＩＣ）の温度特性を補完するカットアングルを持った水晶振動板１３とを組み合わせて、温度特性の良好な水晶発振器１０を得ることが可能となる。

例えば、上述の本発明の手法で設計した水晶発振器１０を実際の製品に適用した場合の温度変化に対する周波数の安定度を示す温度スロープの測定結果を図９に示す。図９の縦軸は周波数変化量Δｆ（ppm）であり、縦軸の枠内が温度スロープの規格を示しており、横軸は温度（℃）を示している。

また、比較のために半導体部品１（ＩＣ）自身の温度特性を考慮しない従来の手法で設計した場合の水晶発振器１０の温度スロープを図１１に示す。
図９と図１１を比較すると、図１１に示すように従来の手法で設計した水晶発振器１０の温度スロープは低温側（−３０℃近辺）で規格ぎりぎりであるのに対し、図９に示す本発明の設計手法を用いた場合の温度スロープは低温側でも規格に対し十分余裕があることがわかる。

従って、以上説明したように、本発明の水晶発振器１０によれば、水晶振動板１３と半導体部品１と収納容器１１と蓋体１２とを少なくとも基本構成部品として組立る水晶発振器１０であって、動作温度環境における出力周波数の偏差を左右する半導体部品１の持つ温度特性を補正する手段を講じたことから、計算上の温度特性の補正量に実側上の温度特性の補正量を近づけることが可能となる。

よって、本発明の水晶発振器によれば、広い温度範囲で厳しい温度特性が要求される水晶発振器１０に、半導体部品の持つ温度特性を補正する手段を講じた本発明の設計手法が有効であることがわかる。

本発明の実施形態にかかる水晶発振器の断面図である。本発明の実施形態に係る間接型の温度補償方式の水晶発振器の構成及び半導体部品の概略の例を示す図である。水晶振動子単体の温度特性であり、縦軸は周波数変化量Δｆ（ppm）、横軸は温度（℃）を表している。恒温槽の温度を−３０℃〜＋８５℃に変化させ温度センサーから出力される電圧を測定した結果である。図２に示す測定回路において、事前に測定しておいた温度センサーの電圧履歴を常温雰囲気下（＋２５℃）で、マルチメータから三次関数発生回路に電圧を入力して得られた電圧と周波数変化の関係である。温度補償をしない水晶発振器の温度特性、即ち温度が変わっても可変容量素子に加わる電圧の変化がない場合の水晶発振器の温度特性である。図６と図４の差から得られた半導体部品の温度特性である。水晶振動板のカットアングルを変更し、温度補償をしない場合の水晶発振器の温度特性である。本発明の設計手法を実際の製品に適用した場合の温度変化に対する周波数の安定度を示す温度スロープの測定結果である。コルピッツ型の水晶発振器の等価回路図である。従来の設計手法を実際の製品に適用した場合の温度変化に対する周波数の安定度を示す温度スロープの測定結果である。

符号の説明

１・・・半導体部品
２・・・水晶振動子
３・・・三次関数発生回路
４・・・可変容量素子（ＶＣ）
５・・・温度センサー
６・・・マルチメータ
７・・・周波数カウンタ
８・・・恒温槽
１０・・・水晶発振器
１１・・・容器
１２・・・蓋体
１３・・・水晶振動板
１４・・・アンダーフィル樹脂

Claims

水晶振動板と半導体部品と収納容器と蓋体とを少なくとも基本構成部品として組立る水晶発振器であって、動作温度環境における出力周波数の偏差を左右する前記半導体部品の持つ温度特性を補正する手段として、前記半導体部品の持つ温度係数が正または負の一次関数に対して、前記水晶素板は負または正の一次関数分だけカットアングルを補正した水晶振動板を用いたことを特徴とする水晶発振器。