JP2019186883A - 温度補償水晶発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】通常の温度範囲で求められる精度をより高温の温度範囲まで拡張する。【解決手段】温度補償水晶発振器１００は、０℃以上８０℃未満の温度範囲内の基準温度における傾きが負の値である周波数温度特性を有する水晶振動素子１１０と、前述した温度範囲より高温の高温温度範囲において、周波数温度特性を補正する温度補償回路１２０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、温度補償水晶発振器に関する。

従来、温度補償水晶発振器に用いられるＡＴカット水晶振動素子において、その発振周波数は−３０℃から８０℃の範囲で、例えば±１５ｐｐｍの精度を達成している。

引用文献１には、水晶振動素子と、５０℃以上の温度において温度補償を行う高温部補償回路と、０℃以下の温度において温度補償を行う低温部補償回路と、補償特性の傾きを補正する温度係数を有する傾き補正コンデンサとを備える温度補償水晶発振器が開示されている。この温度補償水晶発振器は、補償特性全体の傾きを補正することによって−３０℃から８０℃の範囲で±１ｐｐｍの補償精度を得ることができる。

特開平６−８５５３８号公報

一方、−３０℃から８０℃の範囲で求められる精度、例えば±１５ｐｐｍが、−３０℃から８０℃より高温の温度範囲まで要求されることがあった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は通常の温度範囲で求められる精度をより高温の温度範囲まで拡張することのできる温度補償水晶発振器を提供することである。

本発明の一側面に係る温度補償水晶発振器は、０℃以上８０℃未満の温度範囲内の基準温度における傾きが負の値である周波数温度特性を有する水晶振動素子と、前述した温度範囲より高温の高温温度範囲において、周波数温度特性を補正する温度補償回路と、を備える。

本発明によれば、通常の温度範囲で求められる精度をより高温の温度範囲まで拡張することができる。

図１は、実施形態に係る温度補償水晶発振器の構成を概略的に示す回路図である。 図２は、図１に示した水晶振動素子の周波数温度特性を示すグラフである。 図３は、実施形態に係る温度補償水晶発振器のシミュレーション結果を示すグラフである。

以下に本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の構成要素は同一又は類似の符号で表している。図面は例示であり、各部の寸法や形状は模式的なものであり、本発明の技術的範囲を当該実施形態に限定して解するべきではない。

＜実施形態＞
まず、図１を参照しつつ、本発明の実施形態に係る温度補償水晶発振器１００の構成について説明する。図１は、実施形態に係る温度補償水晶発振器１００の構成を概略的に示す回路図である。

図１に示すように、温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ：Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）１００は、水晶振動素子（Ｑｕａｒｔｚ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）１１０と、温度補償回路１２０と、発振用コンデンサ１３１，１３２と、を備える。

水晶振動素子１１０は、ＡＴカット型の水晶片（Ｑｕａｒｔｚ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｂｌａｎｋ）を含む。ＡＴカット型の水晶片は、人工水晶（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ｑｕａｒｔｚ Ｃｒｙｓｔａｌ）の結晶軸（Ｃｒｙｓｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ａｘｅｓ）であるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のうち、Ｙ軸及びＺ軸をＸ軸の周りにＹ軸からＺ軸の方向に３５度１５分±１分３０秒回転させた軸をそれぞれＹ’軸及びＺ’軸とした場合、Ｘ軸及びＺ’軸によって特定される面と平行な面を主面として切り出されたものである。

ＡＴカット水晶片を用いた水晶振動素子は、広い温度範囲で高い周波数安定性を有する。また、ＡＴカット水晶振動素子は、経時変化特性にも優れている上、低コストで製造することが可能である。さらに、ＡＴカット水晶振動素子は、厚みすべり振動モード（Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ Ｓｈｅａｒ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅ）を主振動として用いる。

水晶振動素子１１０は、一組の励振電極を含む。この一組の励振電極の間に交番電界が印加される。これにより、厚みすべり振動モードによって水晶片の振動部が所定の発振周波数で振動し、該振動に伴う共振特性が得られる。

一般に、水晶振動素子はその温度に応じて発振周波数が変化する性質を有しており、温度に対する発振周波数の変化率は「周波数温度特性」と呼ばれている。

ここで、図２を参照しつつ、本発明の実施形態に係る水晶振動素子１１０が有する周波数温度特性について説明する。図２は、図１に示した水晶振動素子１１０の周波数温度特性を示すグラフである。図２において、横軸は水晶振動素子１１０の温度であり、単位は［℃］である。縦軸は発振周波数の周波数変化率（Δｆ／ｆ）であり、単位は［ｐｐｍ］である。また、水晶振動素子１１０の周波数温度特性を実線及び太線で示し、参考として、水晶振動素子１１０とは異なる水晶振動素子の周波数温度特性を破線及び一点鎖線で示す。

図２において、破線で示す周波数温度特性Ｒ１は、従来の温度補償水晶発振器に用いられるＡＴカット水晶振動素子が有する周波数温度特性である。周波数温度特性Ｒ１は、基準温度、図２において２５℃における傾きが正の値である。一点鎖線で示す周波数温度特性Ｒ２は、パッケージ水晶発振器（ＳＰＸＯ：Ｓｉｍｐｌｅ Ｐａｃｋａｇｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）に用いられるＡＴカット水晶振動素子が有する周波数温度特性である。周波数温度特性Ｒ２は、−２．５℃以上５２．５℃以下の範囲における傾きがゼロ又は略ゼロである。この周波数温度特性Ｒ２は、０℃以上８０℃未満の温度範囲（以下、「常温温度範囲」という）において、±２５ｐｐｍの精度を達成する。しかしながら、周波数温度特性Ｒ１及び周波数温度特性Ｒ２は、それぞれ、８０℃以上１０５℃以下の温度範囲（以下、「高温温度範囲」という）及び−４０℃以上０℃未満の温度範囲（以下、「低温温度範囲」という）において、周波数変化率の絶対値が増大している。このため、周波数温度特性Ｒ１及び周波数温度特性Ｒ２は、高温温度範囲及び低温温度範囲の両方において、±２５ｐｐｍの精度を得ることができない。

これに対し、実線で示す周波数温度特性Ｓ１は水晶振動素子１１０が有する周波数温度特性の一例であり、太線で示す周波数温度特性Ｓ２は水晶振動素子１１０が有する周波数温度特性の他の例である。周波数温度特性Ｓ１及び周波数温度特性Ｓ２は、それぞれ、２５℃における傾きが負の値である。これにより、図２に示すように、常温温度範囲において±２５ｐｐｍの精度を維持しつつ、基準温度における変化率が正又はゼロである周波数温度特性Ｒ１及び周波数温度特性Ｒ２と比較して、高温温度範囲及び低温温度範囲における周波数変化率の絶対値の増大を抑制することができる。

水晶振動素子１１０が有する周波数温度特性Ｓ１，Ｓ２は、例えばＡＴカットのカット角を変更することによって、基準温度における傾きの値を変えることが可能である。また、水晶振動素子１１０の発振周波数を変更することによっても、基準温度における傾きの値を変えることが可能である。

基準温度における周波数温度特性Ｓ１，Ｓ２の傾きは、−０．５ｐｐｍ／℃以上−０．０５ｐｐｍ／℃以下であることが好ましい。これにより、高温温度範囲及び低温温度範囲において周波数温度特性Ｓ１，Ｓ２の周波数変化率の絶対値の増大を容易に抑制することができる。

なお、基準温度における周波数温度特性Ｓ１，Ｓ２の傾きは、−０．３ｐｐｍ／℃以上−０．２ｐｐｍ／℃以下であることがより好ましい。

図１の説明に戻ると、温度補償回路１２０は、水晶振動素子１１０の周波数温度特性Ｓ１，Ｓ２を補正するように構成されている。温度補償回路１２０は、水晶振動素子１１０に対して直接に接続されている。すなわち、温度補償回路１２０は、温度補償が発振回路のループ内で行われる直接温度補償方式の温度補償回路である。これにより、温度補償が発振回路の外部で行われる間接温度補償方式と比較して、簡易な構成で温度補償を実現するこが可能となる。従って、温度補償回路１２０の小型化が容易になる。

温度補償回路１２０は、水晶振動素子１１０と同一基板上に近接して配置される。但し、温度補償回路１２０の配置は特に限定されず、温度補償回路１２０は、例えば水晶振動素子１１０を収容する保持器の内部に配置してもよい。

また、温度補償回路１２０は、高温温度範囲において水晶振動素子１１０の周波数温度特性Ｓ１，Ｓ２を補正するように構成されている。具体的には、温度補償回路１２０は、サーミスタ１２１を含む。サーミスタ１２１は周囲の温度を検知し、検知した温度に応じてその抵抗値を変化させるので、この抵抗値の変化によって温度補償回路１２０の等価直列容量が変化する。これにより、水晶振動素子１１０の周波数温度特性Ｓ１，Ｓ２を補正する温度補償回路１２０を簡易に実現することができる。

サーミスタ１２１は、負特性（ＮＴＣ：Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｔｅｍｐａｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）サーミスタであることが好ましい。負特性サーミスタは検知した周囲の温度の上昇によりその抵抗値が低下するので、この抵抗値の低下によって温度補償回路１２０の等価直列容量が増加する。これにより、高温温度範囲における周波数温度特性Ｓ１，Ｓ２の周波数変化率の絶対値を低減させることができる。

また、サーミスタ１２１が負特性サーミスタである場合、そのＢ定数は３０００より大きく４１００未満であることが好ましい。これにより、高温温度範囲において周波数温度特性Ｓ１，Ｓ２の周波数変化率の絶対値を容易に低減させることができる。

なお、負特性サーミスタのＢ定数は、３３００以上かつ３７００以下であることがより好ましい。

温度補償回路１２０は、サーミスタ１２１に加え、コンデンサ１２２を含む。コンデンサ１２２は、サーミスタ１２１に並列に接続されている。コンデンサ１２２は、温度補償回路１２０において等価直列容量を形成する。これにより、水晶振動素子１１０の周波数温度特性Ｓ１，Ｓ２を補正する温度補償回路１２０を簡易に実現することができる。

コンデンサ１２２の負荷容量は、１２ｐＦ以上４０ｐＦ以下であることが好ましい。これにより、高温温度範囲において周波数温度特性Ｓ１，Ｓ２の周波数変化率の絶対値を容易に低減させることができる。

なお、コンデンサ１２２の負荷容量は、２２ｐＦ以上３０ｐＦ以下であることがより好ましい。

本実施形態では、温度補償回路１２０は、サーミスタ１２１とコンデンサ１２２とを含む例を示したが、これに限定されるものではない。温度補償回路１２０は、温度を検知し、検知した温度に応じて周波数温度特性Ｓ１，Ｓ２を補正するものであれば足りる。例えば、温度補償回路は、サーミスタに代えて、熱電対等の温度センサと可変抵抗器とを含んでいてもよい。

発振用コンデンサ１３１，１３２は、水晶振動素子１１０の一組の励振電極に交番電界を印加するように構成されている。発振用コンデンサ１３１は、一端が温度補償回路１２０に接続され、他端が基準電位に接続されている。発振用コンデンサ１３２は、一端が水晶振動素子１１０に接続され、他端が基準電位に接続されている。

次に、図３を参照しつつ、温度補償回路１２０による周波数温度特性の補正について説明する。図３は、実施形態に係る温度補償水晶発振器１００のシミュレーション結果を示すグラフである。図３において、横軸はサーミスタ１２１が検知する温度であり、単位は［℃］である。縦軸は発振周波数の周波数変化率（Δｆ／ｆ）であり、単位は［ｐｐｍ］である。また、水晶振動素子１１０は、その発振周波数が４８ＭＨｚであり、２５℃における周波数温度特性の傾きが−０．３７２ｐｐｍ／℃である。サーミスタ１２１は、負特性サーミスタであり、そのＢ定数が３５００である。コンデンサ１２２は、負荷容量が２２ｐＦである。さらに、温度補償回路１２０によって補正された周波数温度特性を実線で示し、比較のために、補正しない周波数温度特性を破線で示す。

図３に示すように、破線で示す補正しない周波数温度特性、つまり、水晶振動素子１１０が有する周波数温度特性のさらに他の例である周波数温度特性Ｃｂは、常温温度範囲において、求められる±１５ｐｐｍの精度を達成している。しかしながら、補正しない周波数温度特性Ｃｂは、１０５℃において約２０ｐｐｍの周波数変化率であり、常温温度範囲で求められる精度である±１５ｐｐｍが高温温度範囲では得ることができない。

これに対し、実線で示す補正された周波数温度特性Ｃａは、１０５℃における周波数変化率が約１０ｐｐｍに低減され、高温温度範囲において、常温温度範囲で求められる±１５ｐｐｍの精度を達成している。

このように、温度補償回路１２０が高温温度範囲において水晶振動素子１１０の周波数温度特性Ｃｂを補正することにより、常温温度範囲で求められる±１５ｐｐｍの精度を高温温度範囲まで拡張することができる。

本実施形態では、温度補償回路１２０が高温温度範囲において水晶振動素子１１０の周波数温度特性を補正する例を示したが、これに限定されるものでははい。温度補償回路は、低温温度範囲において水晶振動素子１１０の周波数温度特性を補正してもよい。但し、温度補償回路は、水晶振動素子１１０の周波数温度特性を、高温温度範囲及び低温温度範囲の一方のみにおいて補正する。

以上、本発明の例示的な実施形態について説明した。本発明の実施形態に係る温度補償水晶発振器１００では、常温温度範囲内の基準温度における傾きが負の値である周波数温度特性を有する水晶振動素子１１０と、常温温度範囲より高温の高温温度範囲において、周波数温度特性を補正する温度補償回路１２０と、を備える。図２に示すように、水晶振動素子１１０が有する周波数温度特性Ｓ１，Ｓ２の基準温度における傾きが負の値であることにより、常温温度範囲において±２５ｐｐｍの精度を維持しつつ、基準温度における変化率が正又はゼロである周波数温度特性Ｒ１及び周波数温度特性Ｒ２と比較して、高温温度範囲及び低温温度範囲における周波数変化率の絶対値の増大を抑制することができる。また、図３に示すように、温度補償回路１２０が高温温度範囲において水晶振動素子１１０の周波数温度特性Ｃｂを補正することにより、常温温度範囲で求められる±１５ｐｐｍの精度を高温温度範囲まで拡張することができる。

また、前述した温度補償水晶発振器１００において、温度補償回路１２０は、直接温度補償方式の温度補償回路である。これにより、温度補償が発振回路の外部で行われる間接温度補償方式と比較して、簡易な構成で温度補償を実現するこが可能となる。従って、温度補償回路１２０の小型化が容易になる。

また、前述した温度補償水晶発振器１００において、温度補償回路１２０は、サーミスタ１２１を含む。サーミスタ１２１は周囲の温度を検知し、検知した温度に応じてその抵抗値を変化させるので、この抵抗値の変化によって温度補償回路１２０の等価直列容量が変化する。これにより、水晶振動素子１１０の周波数温度特性Ｓ１，Ｓ２を補正する温度補償回路１２０を簡易に実現することができる。

また、前述した温度補償水晶発振器１００において、サーミスタ１２１は、負特性サーミスタである。負特性サーミスタは検知した周囲の温度の上昇によりその抵抗値が低下するので、この抵抗値の低下によって温度補償回路１２０の等価直列容量が増加する。これにより、高温温度範囲における周波数温度特性Ｓ１，Ｓ２の周波数変化率の絶対値を低減させることができる。

また、前述した温度補償水晶発振器１００において、負特性サーミスタのＢ定数は、３０００より大きく４１００未満である。これにより、高温温度範囲において周波数温度特性Ｓ１，Ｓ２の周波数変化率の絶対値を容易に低減させることができる。

また、前述した温度補償水晶発振器１００において、温度補償回路１２０は、コンデンサ１２２をさらに含む。コンデンサ１２２は、温度補償回路１２０において等価直列容量を形成する。これにより、水晶振動素子１１０の周波数温度特性Ｓ１，Ｓ２を補正する温度補償回路１２０を簡易に実現することができる。

また、前述した温度補償水晶発振器１００において、コンデンサ１２２の静電容量は、１２ｐＦ以上４０ｐＦ以下である。これにより、高温温度範囲において周波数温度特性Ｓ１，Ｓ２の周波数変化率の絶対値を容易に低減させることができる。

また、前述した温度補償水晶発振器１００において、基準温度における前記周波数温度特性の傾きは、−０．５ｐｐｍ／℃以上−０．０５ｐｐｍ／℃以下である。これにより、高温温度範囲及び低温温度範囲において周波数温度特性Ｓ１，Ｓ２の周波数変化率の絶対値の増大を容易に抑制することができる。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るととともに、本発明にはその等価物も含まれる。即ち、実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、各実施形態が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換又は組み合わせが可能であることは言うまでもなく、これらも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１００…温度補償水晶発振器、１１０…水晶振動素子、１２０…温度補償回路、１２１…サーミスタ、１２２…コンデンサ、１３１，１３２…発振用コンデンサ、Ｃａ…補正された周波数温度特性、Ｃｂ，Ｓ１，Ｓ２…周波数温度特性

Claims (8)

1. ０℃以上８０℃未満の温度範囲内の基準温度における傾きが負の値である周波数温度特性を有する水晶振動素子と、
   前記温度範囲より高温の高温温度範囲において、前記周波数温度特性を補正する温度補償回路と、を備える、
   温度補償水晶発振器。
2. 前記温度補償回路は、直接温度補償方式の温度補償回路である、
   請求項１に記載の温度補償水晶発振器。
3. 前記温度補償回路は、サーミスタを含む、
   請求項１又は２に記載の温度補償水晶発振器。
4. 前記サーミスタは、負特性サーミスタである、
   請求項３に記載の温度補償水晶発振器。
5. 前記負特性サーミスタのＢ定数は、３０００より大きく４１００未満である、
   請求項４に記載の温度補償水晶発振器。
6. 前記温度補償回路は、コンデンサをさらに含む、
   請求項３から５のいずれか一項に記載の温度補償水晶発振器。
7. 前記コンデンサの静電容量は、１２ｐＦ以上４０ｐＦ以下である、
   請求項６に記載の温度補償水晶発振器。
8. 前記基準温度における前記周波数温度特性の傾きは、−０．５ｐｐｍ／℃以上−０．０５ｐｐｍ／℃以下である、
   請求項１から７のいずれか一項に記載の温度補償水晶発振器。

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