JP2011114859A - 圧電発振器の温度補償方法、圧電発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電発振器の温度補償方法、及び圧電発振器を提供する。
【解決手段】周波数温度特性にヒステリシス特性を有する圧電振動子１２と、前記圧電振動子１２を発振させて発振信号５８を出力する発振回路１４と、を備え、前記圧電振動子１２の発振周波数の温度特性を示す周波数温度情報７６と、前記発振信号５８の発振時の前記圧電振動子１２の温度情報と、を用いて温度補償量８０を算出可能な温度補償回路４０に、前記発振信号５８と前記周波数温度情報７６を出力する圧電発振器１０の温度補償方法であって、前記圧電振動子１２の周囲温度を上昇させた場合に生成される前記圧電振動子１２の昇温周波数温度情報７７ａと、前記周囲温度を下降させた場合に生成される前記圧電振動子１２の降温周波数温度情報７７ｂと、の中間値を前記周波数温度情報７６として算出することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＧＰＳ（Ｇｒｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）衛星からの測位信号に基づいて位置計測を行う圧電発振器の温度補償に係り、特に温度補償機能を外部に委ねる圧電発振器であるＴＳＸＯ（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｅｎｓｏｒ Ｘｔａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）に搭載され、外部の温度補償回路に供される圧電発振器の温度補償に関する。

ＧＰＳ機能を備えた携帯電話機等の受信装置、及びＧＰＳ受信機能を備えた携帯電話器等は、複数のＧＰＳ衛星から送信される測位信号を復調・解析して現在位置を測定するものである。これらの受信装置に使用される基準発振器としては、温度による周波数変化の小さい温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯ（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｘｔａｌ Ｏｓｃｉｌａｌａｔｏｒ）が、広く使用されている。その理由は、受信装置に内蔵された発振器の周波数精度が高いほど、ＧＰＳ衛星から送信される測位信号を捕捉するためのサーチ範囲を狭めることができ、結果的にサーチ時間を短縮して、すなわちＧＰＳ衛星の測位信号を捕捉する時間を短縮して、短時間で測位を行うことができる。

一方、上述の受信装置等は装置の電源投入時等の立ち上げ時において、装置全体で温度が短時間に上昇したり、携帯電話等においては屋外から屋内、屋内から屋外に移動したときに温度が急激に変動するため、発振器内での温度が安定するまで温度補償が不安定になる問題があった。この問題を解決するため、ユーザー側で温度変化に対して高速で応答できる温度補償回路を独自に構築し、発振器側から発振器に搭載された圧電振動子の温度情報を取得して、これにより温度補償を適切に行なう要請がなされている。よって、これに対応するため、発振回路側として温度補償回路を不要とするＴＳＸＯが適用され、ＴＳＸＯは、搭載された圧電振動子の温度をユーザー側に出力する温度センサーと、搭載された圧電振動子の周波数温度情報（温度係数）を記憶し、ユーザー側に周波数温度情報を出力する記憶回路を搭載している（特許文献１参照）。

厚みすべり振動を利用した水晶振動子を使用する場合、発振器から出力される発振信号は、正の３次曲線を描く温度依存性を有するが、上述のＴＳＸＯを搭載しユーザー側でＴＳＸＯに接続した温度補償回路を有するＧＰＳシステム等においては、温度センサーから得た温度情報と、記憶回路から得た周波数温度情報をもとに、どの温度においても周波数が一定となるように温度補償回路において温度補償量を算出して周波数補正を掛けている。

ここで、記憶回路に記憶している周波数温度情報は製造検査工程時に取得したものであるため、製造時のスループットの観点から、温度上昇時、または温度下降時のいずれか一方の温度変化した際の周波数温度情報を取得し、記憶回路に記憶するのが一般的である。

特開２００３−３２４３１８号公報

ところで、水晶振動子の周波数温度特性は、ヒステリシス特性を有している。ヒステリシス特性を有するとは、温度上昇時と下降時において水晶振動子の温度依存性が異なることを意味する。この原因は、温度変化に対する水晶振動子の歪み応力の変化が実際の温度変化に追従できないことや、発振器中の支持構造・接着剤・溶着合金・電極等の熱歪変化等によるもので、水晶振動子を小型化するほど顕著に現れる。

ところで、上述のＧＰＳ機能を搭載した携帯電話端末などの高精度の電子機器の分野においては、周波数偏差（Δｆ／ｆ_０）の許容範囲が非常に狭く、例えば、−３０℃〜８５℃の温度範囲では周波数偏差（Δｆ／ｆ_０）は±０．５ｐｐｍ以内であることが要求される。

そのため、従来のように、温度上昇時、または温度下降時のどちらか一方に温度変化した際の周波数温度情報を取得して、記憶回路に記憶する方法では、一方向の周波数温度情報しか保存されていないため、周波数温度情報を取得する際と逆方向に温度が変化した場合、システムとして周波数補正をかけてもヒステリシス特性に起因する発振周波数の差分についてはそのまま補正誤差として残ることになる。したがって、これが原因となって、測位にかかる時間が長くなり、結果的に測位誤差が生じたり、ＧＰＳ衛星との同調が不調となる虞がある、といった問題があった。

そこで本発明は、上記問題点に着目し、圧電振動子の発振周波数のヒステリシス特性の影響を小さくして、安定した発振周波数で発振可能な圧電発振器の温度補償方法、圧電発振器を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。
［適用例１］周波数温度特性にヒステリシス特性を有する圧電振動子と、前記圧電振動子を発振させて発振信号を出力する発振回路と、を備え、前記圧電振動子の発振周波数の温度特性を示す周波数温度情報と、前記発振信号の発振時の前記圧電振動子の温度情報と、を用いて温度補償量を算出可能な温度補償回路に、前記発振信号と前記周波数温度情報を出力する圧電発振器の温度補償方法であって、前記圧電振動子の周囲温度を上昇させた場合に生成される前記圧電振動子の昇温周波数温度情報と、前記周囲温度を下降させた場合に生成される前記圧電振動子の降温周波数温度情報と、の中間値を前記周波数温度情報として算出することを特徴とする圧電発振器の温度補償方法。

上記方法により、温度補償回路においては、圧電振動子の周囲温度を上昇させた場合に生成される昇温周波数温度情報と、周囲温度を下降させた場合の降温周波数温度情報との中間値となる周波数温度情報が入力され、周波数温度情報と圧電振動子の発振時の圧電振動子の温度情報とを用いて基準周波数からの周波数偏差を算出し、これにより温度補償量を算出することになる。よって、周囲温度が上昇している場合でも、下降している場合でも圧電振動子のヒステリシス特性に起因する補正誤差を一定の範囲に抑制することができる。

［適用例２］前記周波数温度情報を、前記昇温周波数温度情報から算出され、前記発振周波数の連続的な温度特性を示す第１の近似曲線情報と、前記降温周波数温度情報から算出され、前記発振周波数の連続的な温度特性を示す第２の近似曲線情報と、の中間値として算出された第３の近似曲線情報から抽出することを特徴とする適用例１に記載の圧電発振器の温度補償方法。

上記方法により、周波数温度情報は温度変化に対して連続的に変化する中間近似曲線情報から抽出する。一方、温度補償回路では周波数温度情報を元に温度変化に対して連続的に変化する発振周波数の近似曲線を形成している。したがって温度補償回路で算出される近似曲線は第３の近似曲線となるので、温度補償を高精度に行うことができる。また、昇温周波数温度情報と降温周波数情報は同一の温度位置で測定する必要はないので、周波数温度情報の生成の歩留を高め、コストを抑制することができる。

［適用例３］前記周波数温度情報を、温度情報と、前記温度情報に対応した発振周波数の情報、若しくは前記温度情報に対応した基準周波数からの周波数偏差の情報により生成することを特徴とする適用例１または２に記載の圧電発振器の温度補償方法。

これにより、圧電発振器側で温度係数を生成する演算が不要となるため圧電発振器形成時の作業負担を抑制してコストを抑制することができる。この場合、ユーザー側で温度情報のプロットに重なるべき級数の温度係数を演算して温度補償量を算出することになるが、ユーザー側で独自に正確な温度係数を演算することができる。

［適用例４］前記周波数温度情報を、前記第３の近似曲線情報から抽出される温度係数の情報により生成することを特徴とする適用例２に記載の圧電発振器の温度補償方法。

これにより、温度補償回路においては温度係数を算出するための演算が不要となるため、ユーザー側の負担を軽減して圧電発振器を搭載したシステムの構築を容易に行うことができる。

［適用例５］前記昇温周波数温度情報を、前記降温周波数温度情報と前記周囲温度を基準温度領域に上昇させて測定した温度と周波数の情報と、を用いて近似的に算出することを特徴とする適用例１乃至４のいずれか１例に記載の圧電発振器の温度補償方法。

昇温周波数温度情報と降温周波数温度情報との周波数成分の差分をとると基準温度領域において差分が最も大きくなり、基準温度から離れるほど小さくなる。よって昇温周波数温度情報は、降温周波数温度情報と、圧電振動子の周囲温度を基準温度領域に上昇させて測定した温度と周波数の情報と、を用いて近似的に算出することができる。したがって、温度上昇時の温度と周波数との情報は基準温度領域のみ取得すればよく、基準温度より高い高温領域まで温度を上昇させる工程が不要になる。したがって昇温周波数温度情報の取得時間を短縮することができるため、作業負担を削減してコストを抑制することができる。

［適用例６］前記降温周波数温度情報を、前記昇温周波数温度情報と前記周囲温度を基準温度領域に下降させて測定した温度と周波数の情報と、を用いて近似的に算出することを特徴とする適用例１乃至４のいずれか１例に記載の圧電発振器の温度補償方法。

適用例５と同様の理由により、降温周波数温度情報は昇温周波数温度情報と圧電振動子の周囲温度を基準温度領域に下降させて測定した温度と周波数の情報とを用いて近似的に算出することができる。さらに温度下降時は基準温度領域を測定すればよく、基準温度より低い低温領域を測定する必要はない。したがって降温周波数温度情報の取得時間を短縮することができるため、作業負担を削減してコストを抑制することができる。

［適用例７］前記周囲温度に対応した検出電圧を出力する温度検出手段を前記圧電振動子に隣接して配設し、前記昇温周波数温度情報及び前記降温周波数温度情報を、前記検出電圧の関数として生成し、前記周波数温度情報を、前記昇温周波数温度情報及び前記降温周波数温度情報に基づいて算出し、前記周波数温度情報と前記検出電圧とに基づいて温度補償量を算出可能な温度補償回路に前記発振信号を出力し、前記温度検出手段から前記温度補償回路に前記検出電圧を出力することを特徴とする適用例１乃至６のいずれか１例に記載の圧電発振器の温度補償方法。

上記方法により、温度検出手段は圧電振動子の周囲温度を測定誤差を抑制して測定することができるので、昇温周波数温度情報及び降温周波数温度情報を高精度に生成して、周波数温度情報を高精度に算出することができる。さらに圧電振動子の温度情報をリアルタイムでかつ高精度に測定できるので、温度補償回路における補正誤差を抑制して、温度補償を高精度に行なうことができる。

［適用例８］周波数温度特性にヒステリシス特性を有する圧電振動子と、前記圧電振動子を発振させて発振信号を出力する発振回路と、記憶回路と、を有し、前記記憶回路には、前記ヒステリシス特性の影響を受けて表れた前記発振信号の２つの周波数温度特性に囲まれた領域にある周波数温度特性を示す周波数温度情報が記憶されていることを特徴とする圧電発振器。

２つの周波数温度特性とは、圧電振動子の温度上昇時の周波数温度特性と、温度下降時の周波数温度特性とを言う。上記構成において、圧電発振器を温度補償回路に接続した場合、温度補償回路においては、圧電振動子の２つの周波数温度特性に囲まれた領域にある周波数温度情報と、圧電振動子の発振時の圧電振動子の温度情報とを用いて基準周波数からの周波数偏差を算出し、これにより温度補償量を算出することになる。よって、周囲温度が上昇している場合でも、下降している場合でも圧電振動子のヒステリシス特性に起因する補正誤差を一定の範囲に抑制することが可能な圧電発振器となる。さらに記憶回路には昇温周波数温度情報、降温周波数温度情報、またはこれらから抽出した温度情報を格納する必要はないので記憶回路の容量負担の増大を回避することができる。

［適用例９］前記周波数温度情報は、温度情報と、前記温度情報に対応した発振周波数の情報、若しくは前記温度情報に対応した基準周波数からの周波数偏差の情報により生成したものであることを特徴とする適用例８に記載の圧電発振器。

これにより、圧電発振器側で温度係数を生成する演算が不要となるため圧電発振器形成時の作業負担を抑制してコストを抑制することが可能な圧電発振器となる。特に周波数偏差を記憶する場合は、桁が小さくなるためデータの容量を小さくすることが可能であり、記憶回路を小型化してコストを抑制することができる。

［適用例１０］前記周波数温度情報は、前記周波数温度特性に対応したべき級数による近似曲線情報から抽出した温度係数であることを特徴とする適用例８に記載の圧電発振器。

これにより、圧電発振器を温度補償回路に接続した場合、温度補償回路においては温度係数を生成する演算が不要となるため、ユーザー側の負担を軽減して発振回路を搭載したシステムの構築を容易に行うことが可能な圧電発振器となる。

［適用例１１］前記周囲温度に対応した検出電圧を出力する温度検出手段が前記圧電振動子に隣接して設けられるとともに、前記周波数温度情報は、前記検出電圧の関数として表された前記昇温周波数温度情報及び前記降温周波数温度情報に基づいて算出して前記記憶回路に記憶され、前記発振回路は、前記周波数温度情報と前記検出電圧を用いて温度補償量を算出する温度補償回路に発振信号を出力し、前記温度検出手段は、前記温度補償回路に前記検出電圧を出力することを特徴とする適用例８乃至１０のいずれか１例に記載の圧電発振器。

上記構成により、温度検出手段は圧電振動子の周囲温度を測定誤差を抑制して測定することができるので、昇温周波数温度情報及び降温周波数温度情報を高精度に算出して、周波数温度情報を高精度に得ることができる。さらに圧電振動子の温度情報をリアルタイムでかつ高精度に測定できるので、温度補償回路における補正誤差を抑制して、温度補償を高精度に行なうことが可能な圧電発振器となる。

温度補償回路に接続された本実施形態の圧電発振器の模式図である。 本実施形態の圧電発振器と測定器との接続図である。 本実施形態の圧電振動子の発振周波数のヒステリシス特性を示す図である。 温度上昇時、及び温度下降時にそれぞれ測定された温度係数を用いて温度補償を行った場合の周波数偏差を示す図である。 本実施形態に係る温度係数を用いて温度補償を行った場合の周波数偏差を示す図である。 本実施形態の降温周波数温度情報の近似的な算出方法を示す図である。 記憶回路に記憶する周波数温度情報の容量を比較する表である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。

図１に発振回路システムであり、温度補償回路に接続された本実施形態に係る圧電発振器を示す。本実施形態に係る圧電発振器１０は、周波数温度特性にヒステリシス特性を有する圧電振動子１２と、前記圧電振動子１２を発振させて発振信号５８を出力する発振回路１４と、記憶回路２０と、を有し、前記記憶回路２０には、前記ヒステリシス特性の影響を受けて表れた前記発振信号の２つの周波数温度特性に囲まれた領域にある周波数温度特性を示す周波数温度情報７６が記憶されたものである。ここで、２つの周波数温度特性とは、圧電振動子１２の温度上昇時の周波数温度特性と温度下降時の周波数温度特性とを言い、基準温度を中心として２つの特性曲線に囲まれた領域が現れる。また圧電発振器１０は動作時には温度補償回路４０に接続される。

よって、本実施形態にかかる圧電発振器１０を、より詳細に述べると、周波数温度特性にヒステリシス特性を有する圧電振動子１２と、前記圧電振動子１２を発振させて発振信号５８を出力し、前記圧電振動子１２の発振周波数の温度特性を示す周波数温度情報７６と、前記発振信号５８の発振時の前記圧電振動子１２の温度情報と、を用いて温度補償量８０を算出可能な温度補償回路４０に前記発振信号５８を出力する発振回路１４と、前記圧電振動子１２の周囲温度を上昇させた場合に生成される前記圧電振動子１２の昇温周波数温度情報７７ａと、前記周囲温度を下降させた場合に生成される前記圧電振動子１２の降温周波数温度情報７７ｂと、の中間値を前記周波数温度情報７６として記憶し前記温度補償回路４０に前記周波数温度情報７６を出力する記憶回路２０と、を有するものである。

さらに、前記周囲温度に対応した検出電圧６６を出力する温度検出手段（温度センサー１６）が前記圧電振動子１２に隣接して設けられるとともに、前記周波数温度情報７６は、前記検出電圧６６の関数として表された昇温周波数温度情報７７ａ及び降温周波数温度情報７７ｂに基づいて算出して前記記憶回路２０に記憶され、前記発振回路１４は、前記周波数温度情報７６と前記検出電圧６６を用いて温度補償量８０を算出する温度補償回路４０に発振信号５８を出力し、前記温度検出手段は、前記温度補償回路４０に前記検出電圧６６を出力するものである。

したがって上記構成を用いた圧電発振器１０の温度補償方法は、周波数温度特性にヒステリシス特性を有する圧電振動子１２と、前記圧電振動子１２を発振させて発振信号５８を出力する発振回路１４と、を備え、前記圧電振動子１２の発振周波数の温度特性を示す周波数温度情報７６と、前記発振信号５８の発振時の前記圧電振動子１２の温度情報と、を用いて温度補償量８０を算出可能な温度補償回路４０に、前記発振信号５８と前記周波数温度情報７６を出力する圧電発振器１０の温度補償方法であって、前記圧電振動子１２の周囲温度を上昇させた場合に生成される前記圧電振動子１２の昇温周波数温度情報７７ａと、前記周囲温度を下降させた場合に生成される前記圧電振動子１２の降温周波数温度情報７７ｂと、の中間値を前記周波数温度情報７６として算出するものである。

さらに、前記周囲温度に対応した検出電圧６６を出力する温度検出手段（温度センサー１６）を前記圧電振動子１２に隣接して配設し、前記昇温周波数温度情報７７ａ及び前記降温周波数温度情報７７ｂを、前記検出電圧６６の関数として生成し、前記周波数温度情報７６を、前記昇温周波数温度情報７７ａ及び前記降温周波数温度情報７７ｂに基づいて算出し、前記周波数温度情報７６と前記検出電圧６６とに基づいて温度補償量８０を算出可能な温度補償回路４０に前記発振信号５８を出力し、前記温度検出手段から前記温度補償回路４０に前記検出電圧６６を出力するものである。

本実施形態の圧電発振器の構成を説明する前に本実施形態の圧電発振器１０の温度補償の仕方について図を用いて説明する。周波数温度情報７６は、発振回路１４の発振信号５８にヒステリシス特性を伴い現れる２つの周波数温度特性の中間値の周波数温度特性に関わるデータである。すなわち、図５は周波数温度情報７６について説明した図である。

図５に示す昇温周波数温度情報７７ａは、ＡＴカット水晶振動子である圧電振動子１２の周囲温度を圧電振動子１２の基準温度（例えば２５℃）を跨ぐように−３０℃から＋８５℃へと上昇させた間における所定温度ごとの発振回路１４の発振信号５８の周波数のプロットである。また降温周波数温度情報７７ｂは、圧電振動子１２の周囲温度を＋８５℃から−３０℃へと下降させた間における所定温度ごとの発振回路１４の発振信号５８の周波数のプロットである。

第１の近似曲線情報７０は、昇温周波数温度情報７７ａに対応して後述の数式１の温度係数を算出して生成されたものであり、温度変化に対して連続的に周波数が算出可能となる曲線である。第２の近似曲線情報７２は、降温周波数温度情報７７ｂに対応して後述の数式１の温度係数を算出して生成されたものであり、温度変化に対して連続的に周波数が算出可能となる曲線である。第３の近似曲線情報７４は、第１の近似曲線情報７０と第２の近似曲線情報７２との中間値として生成されたものである。よって第３の近似曲線情報７４から周波数温度情報７６で必要となる温度情報及び前記温度情報における周波数を抽出することにより、周波数温度情報７６を生成することができる。ここで、中間値とは、２つの周波数温度特性、すなわち第１の近似曲線情報７０、第２の近似曲線情報７２（昇温周波数温度情報７７ａ、降温周波数温度情報７７ｂ）の一の温度位置において、加算平均等して得られる周波数方向の中間の値のみならず、ヒステリシス特性によって囲まれた領域内において周波数方向に変位した値も含むものとする。
このようにして生成された周波数温度情報７６は、後述する温度補償用の多項式（数式１）のパラメータ（係数）を近似計算して求める際に利用される。

温度補償回路４０は、周波数温度情報７６を使った近似計算により周波数温度補償用の多項式形成に必要な係数を算出し、周波数温度補償用の多項式を決定する。そして更に温度補償回路４０は、発振回路１４の発振信号５８の発振周波数に対して周波数温度補償用の多項式と温度センサー１６によって検出された温度の情報（検出電圧６６）を用いて決定された温度補償量８０（周波数補正量）に応じた周波数の補正を行い温度補償された発振信号６８を出力する。

したがって、本実施形態に係る圧電発振器１０を備えた発振回路システムの温度補償方法においては、周波数温度情報７６に基づいて温度変化に対して連続的周波数温度特性を有する周波数温度特性の情報またはこれを補正する周波数温度補償用の多項式（第３の近似曲線情報７４）に必要な係数を算出する。そして前記周波数温度特性の情報または係数によって決定される多項式と温度センサー１６により検出された温度の情報（検出電圧６６）を用いて温度補償量８０を算出して得られた情報に基づき発振回路１４からの発振信号５８に分周などの周波数制御を行い温度補償が行なわれた発振信号６８を出力する。そしてこのような温度補償方法を実現するため、圧電発振器１０においては少なくとも圧電振動子１２と、発振回路１４と、温度センサー１６と、記憶回路２０を備える必要がある。

次に、昇温周波数温度情報７７ａと降温周波数温度情報７７ｂの生成プロセスについて説明する。
本実施形態の圧電発振器１０（圧電振動子１２）を、例えば温度設定可能なチャンバー（不図示）内に収めた後、圧電発振器１０（圧電振動子１２）の周囲温度を低温から高温へ向かって変化させるとともに、温度変化の途中で複数の温度点における発振回路１４の発振信号５８の周波数を測定する第１の温度試験を行なう。

すなわち、第１の温度試験において、圧電振動子１２がＡＴカット水晶振動子の場合を例に説明すると、圧電振動子１２の周囲温度を例えば−３０℃から＋８５℃に向かって上昇させるとともに、この間において複数の温度点における発振回路１４の発振信号５８の周波数を測定することにより昇温周波数温度情報７７ａを生成する。複数の温度点として例えば、図５（ａ）に示す例では、設定温度範囲の端の温度になる−３０℃（設定最低温度）、＋８５℃（設定最高温度）及び周波数温度特性の曲線の情報（第３の近似曲線情報７４と同様）の変曲点近くの＋２５℃（基準温度）の他に、前記曲線の極大値または極小値の発生する付近の温度点またはこの極値と端の温度の間や極値と基準温度の間の温度点などからなる７つの温度点（昇温周波数温度情報７７ａ）としている。ここで昇温周波数温度情報７７ａは、圧電発振器１０の設定温度（或いは測定温度）の情報と、その設定温度（或いは測定温度）における発振回路１４の発振信号５８の周波数の情報とから構成されている。

第１の温度試験の後、この試験とは逆方向の温度変化傾向となるよう圧電発振器１０（圧電振動子１２）の周囲温度を高温から低温に向かって変化させるとともに、温度変化の途中で複数の温度点における発振回路１４の発振信号５８の周波数を測定する第２の温度試験を行なう。

第２の温度試験においても、圧電振動子１２がＡＴカット水晶振動子の場合を例に説明すると、圧電発振器１０（圧電振動子１２）の周囲温度を＋８５℃から−３５℃へ向かって下降させるとともに、この間において複数の温度点における発振回路１４の発振信号５８の周波数を測定することによって降温周波数温度情報７７ｂを生成する。

複数の温度点として例えば、図５（ａ）に示す例では、可変温度範囲の端の温度になる−３０℃（設定最低温度）、＋８５℃（設定最高温度）及び周波数温度特性の情報の曲線（第３の近似曲線情報７４と同様）の変曲点近くの＋２５℃（基準温度）の他に、前記曲線の極大値または極小値の発生する付近の温度点またはこの極値と端の温度の間や極値と基準温度の間の温度点などからなる７つの温度点（降温周波数温度情報７７ｂ）としている。ここで降温周波数温度情報７７ｂは、圧電発振器１０の設定温度（或いは測定温度）の情報と、その設定温度（或いは測定温度）における発振回路１４の発振信号５８の周波数の情報とから構成されている。

そして昇温周波数温度情報７７ａに対応した第１の近似曲線情報７０、及び降温周波数温度情報７７ｂに対応した第２の近似曲線情報７２を算出し、第１の近似曲線情報７０と第２の近似曲線情報７２の各温度係数の加算平均等により生成された中間値となる温度係数により第３の近似曲線情報７４を生成する。そして第３の近似曲線情報７４から周波数温度情報７６が要求する温度の情報と、温度の情報に対応する周波数を抽出することにより周波数温度情報７６を生成する。そしてこのように得られた周波数温度情報７６を記憶回路２０に記憶する。

このとき図５（ａ）に示す例において、周波数温度情報７６が示す温度点としては、可変温度範囲の端の温度になる−３５℃、＋８５℃、第１の近似曲線情報７０及び第２の近似曲線情報７２の変曲点近くの＋２５℃（基準温度）、第１の近似曲線情報７０及び第２の近似曲線情報７２の極大値または極小値となる極値付近の温度点、またはこの極値と端の温度との間や極値と基準温度の間の温度点などからなる７つの温度点としている。

また設定最低温度と設定最高温度の設定値については、少なくとも圧電発振器１０に求められる動作可能な温度範囲から決定すればよく、測定点となる温度点においても周波数温度特性の情報である曲線を近似計算にて求められるような周波数情報が得られる位置であればよい。

また、可変温度範囲の端の温度点など、昇温周波数温度情報７７ａと降温周波数温度情報７７ｂが示す周波数の値が比較的近いような温度点では、周波数温度情報７６の周波数に関わる情報と昇温周波数温度情報７７ａまたは降温周波数温度情報７７ｂの周波数に関わる情報とが一致しても構わない。すなわち、上述の温度点においては、周波数温度情報７６の周波数の情報として、昇温周波数温度情報７７ａまたは降温周波数温度情報７７ｂの周波数の情報をそのまま取り入れてもよい。

次に本実施形態の具体的構成について説明する。本実施形態の圧電発振器１０の具体的構成は、シリコン基板（不図示）上にパターニングにより、発振回路１４、温度センサー１６、バッファー１８、記憶回路２０、シリアルインターフェース回路２２、電源端子３６、グランド端子３８等の各端子が形成された半導体回路基板を備え、発振回路１４と圧電振動子１２が接続された構造を有している。さらに図１に示すように、圧電発振器１０の接続対象となる温度補償回路４０は、周波数補正回路４２、演算処理回路であるＣＰＵ４４、記憶装置であるメモリ４６、アナログ／デジタル変換器であるＡ／Ｄ変換器４８を有し、上述したシリコン基板上またはこれとは別のシリコン基板上に集積回路構成されている。また周波数温度情報７６を算出する際には図２に示すように、圧電発振器１０は測定器５０に接続され、測定器５０は、周波数カウンタ５２、ＰＣ（パーソナルコンピューター）５４、電圧マルチメータ５６を有する。

圧電振動子１２は、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等の圧電材料から形成されるが、比較的周波数温度特性に優れ、周波数の温度補償量を抑制可能なＡＴカット水晶振動子を用いることが好適である。このＡＴカットによる厚みすべり振動を用いた圧電振動子の共振周波数は、基準温度（２５℃）を中心として正の３次曲線、または図５（ａ）に示すように基準温度よりも低温側に極大値、高温側に極小値を有する多項式関数にて表される温度依存性を有している。

発振回路１４は、圧電振動子１２を発振源とする例えばコルピッツ型の発振回路であり、発振周波数出力端子２４を介して温度補償回路４０、または測定器５０に発振信号５８を出力する。

温度センサー１６は、ダイオード構造を有しており、順方向電流を流し、温度によって変化するダイオードの端子間電位である検出電圧６６を、バッファー１８を介して温度センサー電圧出力端子３４から温度補償回路４０または測定器５０に出力するものである。また温度センサー１６は電源電圧（Ｖ_ＤＤ）から電力が供給される限り常時検出電圧６６を出力するものとする。ここで検出電圧６６は温度上昇とともに１次関数的に減少し、出力される検出電圧６６は測定される温度に対応したものとなっている。なお、温度センサー１６は圧電振動子１２に隣接して配置することが望ましい、これにより圧電振動子１２の周囲温度を正確に測定することができ、後述の昇温周波数温度情報７７ａ、降温周波数温度情報７７ｂ、第１の近似曲線情報７０、第２の近似曲線情報７２、第３の近似曲線情報７４、周波数温度情報７６において、温度と周波数、若しくは周波数偏差との対応を正確に行なうことができる。

シリアルインターフェース回路２２は、外部からの指令を受けて記憶回路２０に周波数温度情報７６を記憶したり、記憶回路２０に記憶された周波数温度情報７６を外部に出力するものである。シリアルインターフェース回路２２は記憶回路２０、温度センサー１６に接続されており、データ入出力端子２６、第１制御クロック入力端子２８、第２制御クロック入力端子３０を有している。

第１制御クロック入力端子２８に第１の制御クロック６０を入力すると、データ入出力端子２６に入力されるシリアル化された周波数温度情報７６を、第１の制御クロック６０をトリガとして（第１の制御クロック６０に同期して）記憶回路２０に記憶する（書き込む）ことができる。第２制御クロック入力端子３０に第２の制御クロック６２を入力すると、記憶回路２０に記憶された周波数温度情報７６を、データ入出力端子２６を介して第２の制御クロック６２をトリガとしてシリアル化して出力することができる。

記憶回路２０は、ＥＥＰＲＯＭ等で形成され、シリアルインターフェース回路２２を介して周波数温度情報７６が記憶され（書き込まれ）、または周波数温度情報７６を出力することができる。周波数温度情報７６は、有限個のデータにより構成されているが、それぞれ測定器５０中の演算機であるＰＣ５４、及び温度補償回路４０中のＣＰＵ４４が共通に認識できるアドレスが設けられている。

周波数温度情報７６としては、後述の温度係数とオフセット係数との組み合わせ、または圧電振動子１２の使用温度範囲から任意に選択した複数の温度情報と、前記複数の温度情報のそれぞれに対応した周波数の情報、若しくは前記複数の温度情報に対応する基準周波数からの周波数偏差の情報との組み合わせを用いることができる。このうち、複数の温度情報と、前記複数の温度情報のそれぞれに対応した基準周波数からの周波数偏差の情報との組み合わせは、発振周波数の絶対値を用いた場合より情報の桁数を小さくすることができるので、周波数温度情報７６の容量が最も小さくなる。また周波数温度情報７６として温度係数を記憶する場合は、温度そのものを記憶する必要はないので周波数温度情報７６の容量を小さくすることができる。なお、周波数温度情報７６として、上述の複数の温度情報と、前記複数の温度情報のそれぞれに対応した周波数の情報との組み合わせとした場合には、基準温度と基準温度における周波数の情報を取得するとともに、その組み合わせについて、ＰＣ５４及びＣＰＵ４４が他の情報と識別できるアドレスを付す必要がある。

図２に圧電発振器１０と測定器５０との接続図を示す。測定器５０は、発振回路１４に搭載された圧電振動子１２の発振周波数の温度特性から温度補償回路４０で用いられる周波数温度情報７６を算出して記憶回路２０に書き込むものであり、周波数カウンタ５２、ＰＣ５４、電圧マルチメータ５６により構成される。周波数カウンタ５２は、発振回路１４に接続され、所定時間間隔ごとに発振回路１４から出力される発振信号５８の周波数を測定してＰＣ５４に出力することができる。電圧マルチメータ５６は、温度センサー１６からの検出電圧６６をデジタルデータに変換してＰＣ５４に出力することができる。

ＰＣ５４は、データ入出力端子２６、第１制御クロック入力端子２８、周波数カウンタ５２、電圧マルチメータ５６に接続されている。ＰＣ５４は、キー操作等により周波数カウンタ５２や電圧マルチメータ５６を起動可能であるとともに、温度センサー１６から電圧マルチメータ５６を介して常時検出電圧６６（周囲温度の情報）を入力している。またＰＣ５４は、インストールされたプログラムに従って所定の温度ごとに周波数を周波数カウンタ５２から入力し、検出電圧６６（周囲温度の情報）と周波数をＰＣ内の記憶領域（不図示）に記憶する。

厚みすべり振動を用いた圧電振動子の共振周波数について、基準温度Ｔ_０における基準周波数をｆとすると、任意の温度Ｔにおける周波数温度情報Δｆ／ｆは近似的に以下のべき級数で表すことができる。

ここで、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは周波数温度情報の近似曲線を決定する温度係数、Ｅは周波数温度情報のオフセットを決定するオフセット係数であり、温度係数に属するものである。そして温度補償回路４０においては数式１に示すような温度変化に対して連続的に変化する周波数温度情報を算出する必要がある。

ところで、数式１においては変数が５つあるため、例えば、周波数温度情報７６として、測定された周囲温度の情報（検出電圧６６）と、周囲温度の情報に対応した基準周波数からの周波数偏差の情報との組み合わせが少なくとも５つあれば、これらをそれぞれ数式１に代入して、連立５元１次方程式を解くことにより数式１における変数を全て算出し近似曲線情報を算出することができる。さらに、上述のように７点の温度点における周波数の情報に基づき、最小二乗法等により数式１を満たす温度係数を算出することにより、より高精度な近似曲線を生成することが可能となる。しかし、圧電振動子はヒステリシス特性を有するため、温度上昇時の温度情報、及び温度下降時の温度情報を考慮する必要がある。

そこで圧電振動子１２の周囲温度を、設定最低温度（−３０℃）から基準温度（＋２５℃）を挟んで上昇させて設定最高温度（＋８５℃）に至るまでの間に、ＰＣ５４はプログラム等により所定の温度間隔で周波数を測定（昇温周波数温度情報７７ａ）し、その後設定最高温度から基準温度を挟んで低下させて設定最低温度に至るまで所定の温度間隔で周波数を測定（降温周波数温度情報７７ｂ）する。

そしてＰＣ５４は、温度上昇時に生成される昇温周波数温度情報７７ａ（例えば、７点の温度と、温度に対応する周波数偏差）と数式１を用いて第１の近似曲線情報７０（図５参照）を算出し、温度下降時に生成される降温周波数温度情報７７ｂ（例えば、７点の温度と、温度に対応する周波数偏差）と数式１を用いて第２の近似曲線情報７２（図５参照）を算出する。

次に、例えば第１の近似曲線情報７０と第２の近似曲線情報７２の周波数の成分の加算平均をとる演算を行い、第１の近似曲線情報７０と第２の近似曲線情報７２の周波数成分の中間値となる第３の近似曲線情報７４（図５参照）を算出する。同様にこれを他の温度（例えば−３０℃〜＋８５℃の任意の温度）に対しても行なう。そして第３の近似曲線情報７４から、温度補償回路４０が第３の近似曲線情報７４を算出しやすい複数の温度情報と前記温度情報に対応する周波数の組み合わせを適宜抽出し、温度補償回路４０中のＣＰＵ４４が認識できるアドレスを付して周波数温度情報７６を生成する。

上述のようにＰＣ５４において周波数温度情報７６を構築したのち、ＰＣ５４は、第１制御クロック入力端子２８に第１の制御クロック６０を出力し、第１の制御クロック６０に同期させてシリアルデータ化させた周波数温度情報７６をデータ入出力端子２６に出力し、シリアルインターフェース回路２２を介して記憶回路２０に周波数温度情報７６を記憶させる。

図１に示すように、温度補償回路４０は、圧電発振器１０とは分離した外部システムの一部である。温度補償回路４０は、ＰＣ５４から記憶回路２０に入力された周波数温度情報７６を用いて、圧電振動子１２の発振周波数の連続的な温度変化に対応した近似曲線情報（第３の近似曲線情報７４と同様）を算出し、近似曲線情報と温度センサー１６から常時入力される検出電圧６６（周囲温度の情報）に基づいて温度補償量８０を算出するものであり、周波数補正回路４２、ＣＰＵ４４、メモリ４６等から構成される。周波数補正回路４２は、ＣＰＵ４４から出力される温度補償量８０に対応して、発振信号５８の周波数を可変させる回路であって、発振回路１４に接続されて発振信号５８が入力され、ＣＰＵ４４の制御のもと温度補償を行った発振信号６８を出力するものである。

ＣＰＵ４４は、温度補償回路４０の中核をなすものであって、記憶回路２０から入力した周波数温度情報７６から近似曲線情報（第３の近似曲線情報７４と同じ）を算出し、近似曲線情報と温度センサー１６から入力される検出電圧６６（周囲温度の情報）に基づいて温度補償量８０を算出して周波数補正回路４２に出力するものである。なお、仮に記憶回路２０に昇温周波数温度情報７７ａが記憶されるとＣＰＵ４４は第１の近似曲線情報７０と同様の近似曲線情報を算出し、降温周波数温度情報７７ｂが記憶されるとＣＰＵ４４は第２の近似曲線情報７２と同様の近似曲線情報を算出することになる。

ＣＰＵ４４は、データ入出力端子２６、第２制御クロック入力端子３０、周波数補正回路４２に接続され、さらに温度センサー１６にＡ／Ｄ変換器４８を介して接続されている。ＣＰＵ４４は、起動時に、プログラムにより第２制御クロック入力端子３０に第２の制御クロック６２を入力し、第２の制御クロック６２に同期して記憶回路２０内の周波数温度情報７６を、シリアルインターフェース回路２２を介してデータ入出力端子２６から出力させ、ＣＰＵ４４に付属するメモリ４６に記憶する。

記憶回路２０に記憶された周波数温度情報７６が圧電振動子１２の使用温度範囲の複数の温度情報と、前記複数の温度情報のそれぞれに対応した周波数偏差との組み合わせである場合、ＣＰＵ４４は、周波数温度情報７６と数式１を用いて、数式１における温度係数と、オフセット係数を上述の方法により算出し、付属のメモリ４６に記憶可能な構成を有するものを用いる。また周波数温度情報７６が上述の複数の温度情報と各温度情報に対応した周波数（絶対値）の情報である場合は、ＣＰＵ４４は周波数温度情報７６中の基準温度の情報と基準温度で測定した周波数の情報のアドレスを識別可能とし、周波数温度情報７６と数式１を用いて、数式１における温度係数と、オフセット係数を上述の方法により算出し、付属のメモリ４６に記憶可能な構成を有するものを用いる。また記憶回路２０に記憶された周波数温度情報７６が温度係数とオフセット係数であれば、ＣＰＵ４４は、そのまま付属のメモリ４６に記憶する構成を有するものを用いる。

またＣＰＵ４４は、プログラム等により所定時間ごとに温度センサー１６からの検出電圧６６（周囲温度の情報）をＡ／Ｄ変換器４８を介してデジタル化して入力し、付属のメモリ４６に記憶する。そしてメモリ４６から温度係数とオフセット係数を読み出して近似曲線（第３の近似曲線情報７４）を算出し、さらにメモリ４６から温度センサー１６からの検出電圧６６を読み出して、近似曲線（第３の近似曲線情報７４）と検出電圧６６から温度補償量８０を算出し、温度補償量８０を周波数補正回路４２に出力する。よってＣＰＵ４４は所定時間ごとに温度補償量８０を算出して周波数補正回路４２に出力する。これにより周波数補正回路４２からは所定時間ごとに温度補償が行われた発振信号６８が出力される。

上記実施形態においては、昇温周波数温度情報７７ａと降温周波数温度情報７７ｂにおける周波数測定時の温度情報が互いに異なる場合、または周波数温度情報７６において必要とする温度情報が昇温周波数温度情報７７ａ及び降温周波数温度情報７７ｂの温度情報と異なる場合は、数式１で表現される複数の近似曲線情報を用いて周波数温度情報７６を生成する、ことを前提として述べてきた。

しかし、昇温周波数温度情報７７ａ及び降温周波数温度情報７７ｂの温度情報が互いに一致し、周波数温度情報７６の要求する温度情報と一致する場合には、ＰＣ５４は、昇温周波数温度情報７７ａと降温周波数温度情報７７ｂにおいて同一の温度情報に対応する周波数の情報の加算平均等により周波数の中間値の情報を算出し、温度情報と前記中間値の情報との組み合わせにより周波数温度情報７６を生成することが可能となる。この場合ＰＣ５４は、第１の近似曲線情報７０及び第２の近似曲線情報７２を算出する必要はなく、圧電発振器１０の製造工程を簡略化できるのでコストを抑制することができる。

また本実施形態において、周波数温度情報７６は、圧電振動子１２（または発振回路１４）の周波数の温度特性を近似するための情報としたが、本発明にあってはこれに限られず、例えば、周波数補正回路４２で出力すべき目標の周波数と圧電振動子１２（または発振回路１４）の周波数との差に係る情報として、前記差の情報、若しくは前記差の情報に目標の周波数の情報を加算した情報を記憶回路２０に記憶しておき、この情報に基づき前記温度補償量８０をＣＰＵ４４で算出するようにしても良い。このとき、記憶回路２０に記憶される情報は、目標の周波数と圧電振動子１２（または発振回路１４）の周波数との差の情報と、温度の情報とから構成されたものであり、或いは目標の周波数の圧電振動子１２（または発振回路１４）の周波数との差を近似するための近似式の情報（温度係数とオフセット係数）であっても良い。このようにすればＣＰＵ４４における温度補償量８０の計算を簡略化できる。

次に、本実施形態に係る圧電発振器１０の作用効果について述べる。図３（ａ）に圧電振動子のヒステリシス特性、図３（ｂ）は図３（ａ）の部分拡大図を示す。図４（ａ）に温度上昇時の昇温周波数温度情報を用いて温度補償を行った場合の温度補償回路から出力される発振信号の周波数偏差（温度上昇時、温度下降時）、図４（ｂ）に温度下降時の降温周波数温度情報を用いて温度補償を行った場合の温度補償回路から出力される発振信号の周波数偏差（温度上昇時、温度下降時）を示す。図５（ａ）は本実施形態の周波数温度情報を示す図、図５（ｂ）は図５（ａ）の部分拡大図、図５（ｃ）は本実施形態の周波数温度情報を用いて温度補償を行った場合の温度補償回路から出力される発振信号の周波数偏差を示す。

従来技術でも述べたように、圧電振動子には図３に示すように温度上昇時、温度下降時において同一の周波数温度特性を有さずヒステリシス特性を有している。そこで、図３（ａ）、（ｂ）に示すように温度補償回路４０において温度上昇時の昇温周波数温度情報７７ａを用いた近似曲線（第１の近似曲線７０）を算出し、これに基づいて温度補償を行うと、図４（ａ）に示すように、圧電発振器１０の温度を上昇させたときの温度補償は良好に行われているが、逆に温度を下降させたときの温度補償は良好には行われず周波数偏差が０．５ｐｐｍを超えたものとなっている。

また図３（ａ）、（ｂ）に示すように、温度補償回路４０において温度下降時の降温周波数温度情報７７ｂを用いた近似曲線（第２の近似曲線情報７２）を算出し、これに基づいて温度補償を行うと、図４（ｂ）に示すように、圧電振動子１２の温度を下降させたときの温度補償は良好に行われているが、逆に温度を上昇させたときの温度補償は良好には行われず周波数偏差が０．５ｐｐｍとなっている。本実施形態が想定するＧＰＳ機能を有する機器にこのような周波数偏差が生じると、従来技術で述べたように測位性能に悪影響を及ぼすことになる。

一方、本実施形態の周波数温度情報７６は、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、昇温周波数温度情報７７ａに対応して算出された第１の近似曲線情報７０と、降温周波数温度情報７７ｂに対応して算出された第２の近似曲線情報７２と、の周波数方向の中間値として算出された第３の近似曲線情報７４から抽出して形成されたものである。よって温度補償回路４０においては、第３の近似曲線情報７４と周囲温度の情報（検出電圧６６）とを用いて基準周波数からの周波数偏差を算出し、これにより温度補償量８０を算出することになる。よって、周囲温度が上昇している場合でも、下降している場合でも圧電振動子１２のヒステリシス特性に起因する補正誤差を一定の範囲に抑制することができる。そして図５（ｃ）に示すように、本実施形態においては、温度上昇時、温度下降時共に周数偏差を０．３ｐｐｍ程度に抑えることができ、ヒステリシス特性を有する圧電振動子１２に対して良好な温度補償を行うことができることがわかる。

ところで、本実施形態に係る圧電振動子１２のヒステリシス特性は、基準温度近傍で最も顕著に現れ、基準温度から離れるほど小さくなり、設定最低温度（−３０℃）、設定最高温度（＋８５℃）においては殆ど検出されない。よって昇温周波数温度情報７７ａ及び降温周波数温度情報７７ｂのいずれか一方の測定範囲を限定した上で近似的に算出し、本実施形態の周波数温度情報７６を構築する時間を短縮することができる。

図６に圧電振動子の発振周波数の温度上昇時の周波数温度情報と、温度下降時の周波数温度情報の差分（ヒステリシス量）を示す。図６（ａ）に示すように、圧電振動子の発振周波数の温度上昇時の周波数温度情報７７ａ（第１の近似曲線情報７０、図３等参照）と温度下降時の周波数温度情報７７ｂ（第２の近似曲線情報７２、図３等参照）の差分は、基準温度を中心として上に凸の２次関数的な形状を有していることが分かった。そこで、本発明は、基準温度におけるヒステリシス量から全体のヒステリシス特性を簡易的に算出している。

例えば、昇温周波数温度情報７７ａは、前述同様に圧電振動子１２の周囲温度を基準温度を挟んで上昇させた場合の所定温度ごとの温度情報と周波数の情報とを組み合わせて生成する。このとき昇温周波数温度情報７７ａは、基準温度より低い温度領域で測定した低温領域情報８２（設定最低温度を含む）と、基準温度を包含する基準温度領域で測定した第１の基準温度領域情報８４と、基準温度領域より高い高温領域で測定した高温領域情報８６（設定最高温度を含む）と、を有する。さらにこの昇温周波数温度情報７７ａに対応した第１の近似曲線情報７０を算出する。

そして近似的に算出する第２の降温周波数温度情報（不図示）は、周囲温度を基準温度を挟んで低下させた場合の基準温度領域において測定した第２の基準温度領域情報８８と第１の基準温度領域情報８４との差分と、低温領域情報８２と、高温領域情報８６と、を用いて算出することができる。ここで低温領域と、高温領域において昇温周波数温度情報７７ａと降温周波数温度情報７７ｂの差分（ヒステリシス量）をゼロと近似することにより、図６（ｂ）に示すように３つのプロット点からヒステリシス量を近似する２次関数の２次の温度係数を算出することができる。この２次の温度係数を第１の近似曲線情報７０を構成する２次の温度係数から引くことにより第２の近似曲線情報（不図示）を算出することができる。この第２の近似曲線情報（不図示）から所定温度ごとの温度情報と温度情報に対応した周波数の情報を抽出することにより降温周波数温度情報（不図示）を近似的に生成することができる。

なお基準温度領域にて２点以上を測定して、これに対応したべき級数を用いてフィッティングさせて、これにより得られる温度係数を、対応する第１の近似曲線情報７０を構成する温度係数から引くことにより第２の近似曲線情報（不図示）を算出することができる。以上の演算は全てＰＣ５４上で行なうことになる。そして図６（ｃ）に示すように、昇温周波数温度特性７７ａと近似的に算出された降温周波数温度特性（不図示）との差分７３ａは、昇温周波数温度特性７７ａと降温周波数温度特性７７ｂとの差分７３ｂと遜色のないヒステリシス特性を有していることがわかる。なお、本実施形態においては、第２の基準温度領域情報８８を先に生成し、その後昇温周波数温度情報７７ａを生成してもよい。

逆に昇温周波数温度情報７７ａの算出において上述の近似を用いる場合、降温周波数温度情報７７ｂは、前述同様に圧電振動子１２の周囲温度を基準温度を挟んで下降させた場合の所定温度ごとの温度情報と周波数の情報とを組み合わせて生成する。このとき降温周波数温度情報７７ｂは、周囲温度を基準温度を挟んで上昇させた場合の基準温度より高い温度領域で測定した高温領域情報（高温領域情報８６と同一であると近似）と、基準温度を包含する基準温度領域において測定した第３の基準温度領域情報９０（第２の基準温度領域情報８８と同一）と、前記基準温度領域より低い低温領域で測定した低温領域情報（低温領域情報８２と同一であると近似）と、を有する。そしてこの降温周波数温度情報７７ｂに対応した第２の近似曲線情報７２を算出する。

一方、近似的に算出する昇温周波数温度情報（不図示）は、周囲温度を基準温度を挟んで上昇させたときの基準温度領域において測定した第４の基準温度領域情報９２（第１の基準温度領域情報８４と同一）と第３の基準温度領域情報９０との差分と、低温領域情報８２と、高温領域情報８６と、を用いて算出することができる。ここで低温領域と、高温領域において昇温周波数温度情報７７ａと降温周波数温度情報７７ｂの差分（ヒステリシス量）をゼロと近似することにより、図６（ｂ）に示すように３つのプロット点からヒステリシス量を近似する２次関数の２次の温度係数を算出することができる。この２次の温度係数を第２の近似曲線情報７２を構成する２次の温度係数から引くことにより第１の近似曲線情報（不図示）を算出することができる。この第１の近似曲線情報（不図示）から所定温度ごとの温度情報と温度情報に対応した周波数の情報を抽出することにより昇温周波数温度情報（不図示）を近似的に生成することができる。

図７に記憶回路に記憶する周波数温度情報の容量を比較する表を示す。図７に示すように、周波数温度情報として周波数の絶対値の情報を記憶する場合は１１桁必要とするが、基準周波数からの周波数偏差の情報を記憶する場合は５桁で済むので周波数の情報に関する容量を約４５パーセント削減することができる。また仮に昇温周波数温度情報７７ａ、降温周波数温度情報７７ｂを周波数の絶対値の情報を用いて構成した場合の容量を１００とすると、周波数温度情報７６を周波数の絶対値の情報を用いて構成したときは容量を５０％削減でき、周波数温度情報７６を周波数偏差の情報を用いて構成したときは容量を７３％削減することができる。なお、周波数温度情報として記憶するアドレスの情報において必要な桁数は、測定温度が７点である場合は、３桁（最大８個のアドレスを許容）で充分であり、周囲温度の情報（検出電圧６６）はその分解能に従って必要な桁数が決定される。さらに周波数温度情報が温度係数の情報である場合、温度係数については有効数字に従って必要な桁数が決定されるが、温度情報は不要であるので、その分の容量を削減することができる。

以上述べたように、本実施形態に係る圧電発振器１０の温度補償方法、及び圧電発振器１０によれば、第１には、圧電振動子１２の周囲温度を上昇させた場合に生成される昇温周波数温度情報７７ａと、周囲温度を下降させた場合の降温周波数温度情報７７ｂとの中間値となる周波数温度情報７６が入力され、周波数温度情報７６と圧電振動子１２の発振時の圧電振動子１２の温度情報とを用いて基準周波数からの周波数偏差を算出し、これにより温度補償量８０を算出することになる。よって、周囲温度が上昇している場合でも、下降している場合でも圧電振動子のヒステリシス特性に起因する補正誤差を一定の範囲に抑制することができる。さらに記憶回路２０には昇温周波数温度情報７７ａ、降温周波数温度情報７７ｂ、またはこれらから抽出した温度係数を記憶する必要はないので記憶回路２０の容量負担の増大を回避することができる。

第２には、周波数温度情報７６を、昇温周波数温度情報７７ａから算出され、発振周波数の連続的な温度特性を示す第１の近似曲線情報７０と、降温周波数温度情報７７ｂから算出され、発振周波数の連続的な温度特性を示す第２の近似曲線情報７２と、の中間値として算出された第３の近似曲線情報７４から抽出している。これにより、周波数温度情報７６は温度変化に対して連続的に変化する第３の近似曲線情報７４から抽出する。一方、温度補償回路４０では周波数温度情報７６を元に温度変化に対して連続的に変化する発振周波数の近似曲線を形成している。したがって温度補償回路４０で算出される近似曲線は第３の近似曲線情報７４となるので、温度補償を高精度に行うことができる。また、昇温周波数温度情報７７ａと降温周波数温度情報７７ｂは同一の温度位置で測定する必要はないので、周波数温度情報７６の生成の歩留を高め、コストを抑制することができる。

第３には、周波数温度情報７６を、温度情報と、前記温度情報に対応した発振周波数の情報、若しくは前記温度情報に対応した基準周波数からの周波数偏差の情報により生成することにより、圧電発振器１０側で温度係数の演算が不要となるため圧電発振器１０形成時の作業負担を抑制してコストを抑制することができる。特に周波数偏差の情報を記憶する場合は、桁数が小さくなるためデータの容量を小さくすることが可能であり、記憶回路２０を小型化してコストを抑制することができる。この場合、ユーザー側で周波数温度情報７６のプロットに重なるべき級数の温度係数を演算して第３の近似曲線情報７４を算出することになるが、ユーザー側で独自に正確な温度係数を演算することができる。

第４には、周波数温度情報７６を、第３の近似曲線情報７４から抽出される温度係数の情報により生成することにより、温度補償回路４０においては第３の近似曲線情報７４を算出するための演算が不要となるため、ユーザー側の負担を軽減して圧電発振器１０を搭載したシステムの構築を容易に行うことができる。

第５には、昇温周波数温度情報７７ａを、降温周波数温度情報７７ｂと圧電振動子１２の周囲温度を基準温度領域に上昇させて測定した温度と周波数の情報と、を用いて近似的に算出した。昇温周波数温度情報７７ａと降温周波数温度情報７７ｂとの周波数成分の差分をとると基準温度領域において差分が最も大きくなり、基準温度から離れるほど小さくなる。よって昇温周波数温度情報７７ａは、降温周波数温度情報７７ｂと、周囲温度を基準温度領域に上昇させて測定した温度と周波数の情報と、を用いて近似的に算出することができる。したがって、温度上昇時の温度と周波数との情報は基準温度領域のみ取得すればよく、基準温度より高い高温領域まで温度を上昇させる工程が不要になる。したがって昇温周波数温度情報７７ａの取得時間を短縮することができるため、作業負担を削減してコストを抑制することができる。

第６には、降温周波数温度情報７７ｂを、昇温周波数温度情報７７ａと圧電振動子１２の周囲温度を基準温度領域に下降させて測定した温度と周波数の情報と、を用いて近似的に算出した。上述同様の理由により、降温周波数温度情報７７ｂは昇温周波数温度情報７７ａと周囲温度を基準温度領域に下降させて測定した温度と周波数の情報とを用いて近似的に算出することができる。さらに温度下降時は基準温度領域を測定すればよく、基準温度より低い低温領域を測定する必要はない。したがって降温周波数温度情報７７ｂの取得時間を短縮することができるため、作業負担を削減してコストを抑制することができる。

第７には、前記周囲温度に対応した検出電圧６６を出力する温度センサー１６を圧電振動子１２に隣接して配設し、昇温周波数温度情報７７ａ及び前記降温周波数温度情報７７ｂを、前記検出電圧６６の関数として生成し、周波数温度情報７６を、昇温周波数温度情報７７ａ及び降温周波数温度情報７７ｂに基づいて算出し、周波数温度情報７６と検出電圧６６とに基づいて温度補償量８０を算出可能な温度補償回路４０に発振信号５８を出力し、温度センサー１６から温度補償回路４０に検出電圧６６を出力する構成とした。

これにより、温度センサー１６は圧電振動子１２の周囲温度を測定誤差を抑制して測定することができるので、昇温周波数温度情報７７ａ及び降温周波数温度情報７７ｂを高精度に生成して、周波数温度情報７６を高精度に算出することができる。さらに圧電振動子１２の温度情報をリアルタイムでかつ高精度に測定できるので、温度補償回路４０における補正誤差を抑制して、温度補償を高精度に行なうことができる。

なお、本実施形態において、圧電振動子は厚みすべり振動子を前提として述べてきたが、これに限定されず、双音叉型圧電振動子、シングルビーム型圧電振動子、ＳＡＷ共振子等にも適用できる。また昇温周波数温度情報７７ａ、降温周波数温度情報７７ｂ、第１の近似曲線情報７０、第２の近似曲線情報７２、第３の近似曲線情報７４、周波数温度情報７６は、それぞれ検出電圧６６の関数として生成されるが、温度センサー１６から出力される検出電圧６６を実際の温度の値に変換して用いてもよい。よってこれに対応して、これらの情報を実際の温度の関数としてもよく、さらにＰＣ５４、及びＣＰＵ４４も上述の情報を温度の関数として認識できるように構成してもよい。

１０………圧電発振器、１２………圧電振動子、１４………発振回路、１６………温度センサー、１８………バッファー、２０………記憶回路、２２………シリアルインターフェース回路、２４………発振周波数出力端子、２６………データ入出力端子、２８………第１制御クロック入力端子、３０………第２制御クロック入力端子、３４………温度センサー電圧出力端子、３６………電源端子、３８………グランド端子、４０………温度補償回路、４２………周波数補正回路、４４………ＣＰＵ、４６………メモリ、４８………Ａ／Ｄ変換器、５０………測定器、５２………周波数カウンタ、５４………ＰＣ、５６………電圧マルチメータ、５８………発振信号、６０………第１の制御クロック、６２………第２の制御クロック、６６………検出電圧、６８………発振信号、７０………第１の近似曲線情報、７２………第２の近似曲線情報、７４………第３の近似曲線情報、７６………周波数温度情報、７７ａ………昇温周波数温度情報、７７ｂ………降温周波数温度情報、７８………温度係数、８０………温度補償量、８２………低温領域情報、８４………第１の基準温度領域情報、８６………高温領域情報、８８………第２の基準温度領域情報、９０………第３の基準温度領域情報、９２………第４の基準温度領域情報。

Claims (7)

1. 周波数温度特性にヒステリシス特性を有する圧電振動子と、前記圧電振動子を発振させて発振信号を出力する発振回路と、を備え、
   前記圧電振動子の発振周波数の温度特性を示す周波数温度情報と、前記発振信号の発振時の前記圧電振動子の温度情報と、を用いて温度補償量を算出可能な温度補償回路に、前記発振信号と前記周波数温度情報を出力する圧電発振器の温度補償方法であって、
   前記圧電振動子の周囲温度を上昇させた場合に生成される前記圧電振動子の昇温周波数温度情報と、
   前記周囲温度を下降させた場合に生成される前記圧電振動子の降温周波数温度情報と、
   の中間値を前記周波数温度情報として算出することを特徴とする圧電発振器の温度補償方法。
2. 前記周波数温度情報を、
   前記昇温周波数温度情報から算出され、前記発振周波数の連続的な温度特性を示す第１の近似曲線情報と、
   前記降温周波数温度情報から算出され、前記発振周波数の連続的な温度特性を示す第２の近似曲線情報と、の中間値として算出された第３の近似曲線情報から抽出することを特徴とする請求項１に記載の圧電発振器の温度補償方法。
3. 前記周波数温度情報を、温度情報と、前記温度情報に対応した発振周波数の情報、若しくは前記温度情報に対応した基準周波数からの周波数偏差の情報により生成することを特徴とする請求項１または２に記載の圧電発振器の温度補償方法。
4. 前記周波数温度情報を、前記第３の近似曲線情報から抽出される温度係数の情報により生成することを特徴とする請求項２に記載の圧電発振器の温度補償方法。
5. 前記昇温周波数温度情報を、前記降温周波数温度情報と前記周囲温度を基準温度領域に上昇させて測定した温度と周波数の情報と、を用いて近似的に算出することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧電発振器の温度補償方法。
6. 前記降温周波数温度情報を、前記昇温周波数温度情報と前記周囲温度を基準温度領域に下降させて測定した温度と周波数の情報と、を用いて近似的に算出することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧電発振器の温度補償方法。
7. 前記周囲温度に対応した検出電圧を出力する温度検出手段を前記圧電振動子に隣接して配設し、
   前記昇温周波数温度情報及び前記降温周波数温度情報を、前記検出電圧の関数として生成し、
   前記周波数温度情報を、前記昇温周波数温度情報及び前記降温周波数温度情報に基づいて算出し、
   前記周波数温度情報と前記検出電圧とに基づいて温度補償量を算出可能な温度補償回路に前記発振信号を出力し、
   前記温度検出手段から前記温度補償回路に前記検出電圧を出力することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の圧電発振器の温度補償方法。

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