WO2021157122A1 - 発振器、温度補償回路、及び水晶振動素子 - Google Patents

発振器、温度補償回路、及び水晶振動素子 Download PDF

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vibrating element
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temperature range
oscillator
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Inventor
秀和 大石橋
大家　具央
修博 吉江
Original Assignee
株式会社村田製作所
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B5/00—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input
    • H03B5/30—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator
    • H03B5/32—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator being a piezoelectric resonator
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/15—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material
    • H03H9/17—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator
    • H03H9/19—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator consisting of quartz

Definitions

  • the present invention relates to an oscillator, a temperature compensation circuit, and a crystal vibrating element.
  • Reference 1 describes a vibrating element, a fractional N-PLL circuit that generates a clock signal for wireless transmission based on the output signal of the vibrating element, and a power that generates a wireless transmission signal based on the clock signal for wireless transmission.
  • a wireless transmission IC having an amplifier, a control device for controlling the wireless transmission IC, and a temperature detection element connected to the control device are included, and the control device is based on temperature information obtained from the temperature detection element. Therefore, a wireless transmission device that controls a fractional N-PLL circuit so that the frequency of the wireless transmission signal is temperature-compensated is disclosed.
  • the radio transmitter produces an appropriately temperature compensated radio transmission signal without the use of an expensive temperature compensated crystal oscillator (TCXO).
  • the vibrating element has a frequency temperature characteristic, and the radio transmission device temperature-compensates the frequency of the radio transmission signal using a fractional N-PLL circuit based on the temperature information.
  • oscillators for automobiles and devices compatible with BLE Bluetooth Low Energy
  • BLE Bluetooth Low Energy
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and one of the objects of the present invention is an oscillator, a temperature compensation circuit, and a crystal vibration capable of extending the accuracy required for the oscillation frequency to a wider temperature range. It is to provide an element.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a temperature-compensated crystal oscillator capable of extending the accuracy required in a normal temperature range to a higher temperature range. be.
  • the oscillator includes a vibrating element, a temperature detection circuit that detects the temperature of the vibrating element, and a temperature compensation circuit that corrects the frequency temperature characteristic of the vibrating element in a predetermined temperature range including the detected temperature. And.
  • the temperature compensation circuit is a temperature compensation circuit of an oscillator including a vibrating element, and corrects the frequency temperature characteristic of the vibrating element in a predetermined temperature range including the detected temperature of the vibrating element. ..
  • the crystal vibrating element according to another aspect of the present invention is an AT-cut crystal vibrating element, and has a frequency temperature characteristic in which the frequency change rate of the oscillation frequency in the temperature range of ⁇ 40 ° C. or higher and lower than 125 ° C. is ⁇ 35 ppm or less. Have.
  • the accuracy required for the oscillation frequency can be extended to a wider temperature range.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a schematic configuration of an oscillator according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a graph illustrating the frequency and temperature characteristics of the AT-cut crystal vibrating element.
  • FIG. 3 is a graph showing a first example of the frequency temperature characteristic of the vibrating element in one embodiment.
  • FIG. 4 is a graph showing a second example of the frequency temperature characteristic of the vibrating element in one embodiment.
  • FIG. 5 is a graph showing a third example of the frequency temperature characteristic of the vibrating element in one embodiment.
  • FIG. 6 is a graph showing a first example of the correction result by the temperature compensation circuit in one embodiment.
  • FIG. 7 is a graph showing a second example of the correction result by the temperature compensation circuit in one embodiment.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a schematic configuration of an oscillator 100 according to an embodiment.
  • the oscillator 100 includes a vibrating element 10 and an integrated circuit 50.
  • the oscillator 100 is, for example, a temperature-compensated crystal oscillator (TCXO: Temperature Compensated Crystal Oscillator) that compensates for the temperature characteristics at the oscillation frequency of the vibrating element 10 when the vibrating element 10 is a crystal vibrating element.
  • TCXO Temperature Compensated Crystal Oscillator
  • the vibrating element 10 includes an AT-cut type crystal piece (Quartz Crystal Blank).
  • the AT-cut type crystal piece has the Y-axis and Z-axis around the X-axis from the Y-axis to the Z-axis among the X-axis, Y-axis, and Z-axis which are the crystal axes (Crystallogic Axes) of the artificial crystal (Synthetic Quartz Crystal).
  • crystallogic Axes Crystallogic Axes
  • the axes rotated by 35 degrees and 15 minutes in the direction of the axis are the Y'axis and the Z'axis, respectively, the plane parallel to the plane specified by the X-axis and the Z'-axis is cut out as the main plane. ..
  • a crystal vibrating element using an AT-cut crystal piece has high frequency stability in a wide temperature range.
  • the AT-cut crystal vibrating element is excellent in aging characteristics and can be manufactured at low cost.
  • the AT-cut crystal vibration element uses a thickness sliding vibration mode (Sickness Shear Vibration Mode) as the main vibration.
  • the vibrating element 10 includes a set of excitation electrodes. An alternating electric field is applied between the pair of excitation electrodes. As a result, the vibrating portion of the crystal piece vibrates at a predetermined oscillation frequency in the thickness slip vibration mode, and the resonance characteristic associated with the vibration can be obtained.
  • a vibrating element has a property that the oscillation frequency changes according to its temperature, and this property is called "frequency temperature characteristic" or simply temperature characteristic.
  • the frequency change rate of the oscillation frequency with respect to the temperature of the vibrating element is used as an index showing the accuracy of the frequency temperature characteristic.
  • the vibrating element 10 is a crystal vibrating element
  • the oscillator 100 is a temperature-compensated crystal oscillator (TCXO).
  • the integrated circuit 50 includes a temperature compensation circuit 60 and an inverter 70 for inverting the output signal of the temperature compensation circuit 60.
  • the integrated circuit 50 is composed of, for example, a one-chip ASIC (Application Specific Integrated Circuit).
  • the integrated circuit 50 may be an integrated circuit other than the ASIC, for example, PLD (Programmable Logic Device), FPGA (Field Programmable Gate Array), IC (Integrated Circuit), or the like.
  • the integrated circuit 50 includes the temperature compensation circuit 60 and the inverter 70 is shown, but the present invention is not limited to this.
  • the integrated circuit 50 may include a circuit or element other than the temperature compensation circuit 60 and the inverter 70, for example, a PLL (Phase Locked Loop) circuit or the like.
  • PLL Phase Locked Loop
  • the temperature compensation circuit 60 includes a temperature detection circuit 20, a temperature compensation signal generation circuit 30, variable capacitors 61 and 62, a resistor 63, and an inverter 64, and the vibrating element 10 is provided via a terminal of the integrated circuit 50. Is electrically connected to.
  • the temperature compensation circuit 60 is configured to correct the frequency temperature characteristic of the vibrating element 10 in a predetermined temperature range. More specifically, the temperature compensation circuit 60 is configured to correct the frequency temperature characteristic of the vibrating element 10 when the temperature of the vibrating element 10 detected by the temperature detecting circuit 20 is included in a predetermined temperature range. ing.
  • the temperature detection circuit 20 is configured to detect the temperature of the vibrating element 10, more specifically, the temperature of the ambient atmosphere of the vibrating element 10.
  • the temperature detection circuit 20 includes, for example, a temperature sensor, and outputs an analog electric signal corresponding to the temperature detected by the temperature sensor.
  • the temperature detection circuit 20 is not limited to the case where the temperature detection circuit 20 is included in the temperature compensation circuit 60.
  • the temperature detection circuit 20 may be included in a circuit other than the temperature compensation circuit 60, or may be a single circuit independent of the other circuits.
  • the temperature detection circuit 20 is not limited to the case where it is included in the integrated circuit 50.
  • FIG. 2 is a graph illustrating the frequency and temperature characteristics of the AT-cut crystal vibrating element.
  • FIG. 3 is a graph showing a first example of the frequency temperature characteristic of the vibrating element 10 in one embodiment.
  • FIG. 4 is a graph showing a second example of the frequency temperature characteristic of the vibrating element 10 in one embodiment.
  • FIG. 5 is a graph showing a third example of the frequency temperature characteristic of the vibrating element 10 in one embodiment.
  • the horizontal axis is the temperature of the vibrating element 10 detected by the temperature detection circuit 20, and the unit is [° C.].
  • the vertical axis is the frequency change rate ( ⁇ F / F) of the oscillation frequency, and the unit is [ppm].
  • each curve shown in FIG. 2 has the Y-axis and the Z-axis, which are the verification axes of the artificial crystal described above, at a predetermined angle, specifically 35 degrees, in the direction from the Y-axis to the Z-axis around the X-axis. It is a frequency temperature characteristic when the angle is changed every 1 minute from the angle when it is rotated for 15 minutes.
  • this angle is referred to as a "cut angle”. That is, the plurality of curves in FIG.
  • the AT-cut crystal vibrating element changes the cut angle to change the frequency change rate of the oscillation frequency per unit temperature of the frequency temperature characteristic at a reference temperature, for example, 25 [° C.], that is, It is possible to change the tilt value.
  • the vibrating element 10 of the present embodiment has a frequency temperature characteristic in which the inclination of the frequency temperature characteristic at the reference temperature is changed and the frequency change rate of the oscillation frequency in a predetermined temperature range is reduced.
  • the frequency temperature characteristic of the vibrating element 10 is such that the frequency change rate of the oscillation frequency is ⁇ 10 [ppm] in the temperature range of ⁇ 40 [° C.] or more and less than 85 [° C.]. ] Is adjusted to be about. Since the frequency change rate of the oscillation frequency varies from individual to individual of the vibrating element 10, the frequency change rate is actually the average frequency change rate of the oscillation frequencies of the plurality of vibrating elements.
  • the frequency change rate of the oscillation frequency shall be the average frequency change rate of the oscillation frequencies in a plurality of vibrating elements.
  • the frequency temperature characteristic of the oscillating element 10 is -40 [° C.] or more and less than 125 [° C.] in the temperature range.
  • the frequency change rate of the oscillation frequency may be adjusted to be ⁇ 35 [ppm] or less, preferably ⁇ 30 [ppm] or less, and more preferably ⁇ 25 [ppm] or less.
  • the vibrating element 10 has a frequency temperature characteristic that the frequency change rate of the oscillation frequency is ⁇ 35 [ppm] or less in the temperature range of ⁇ 40 [° C.] or more and less than 125 [° C.].
  • the frequency temperature characteristic of the vibrating element 10 is the oscillation frequency in the temperature range of 0 [° C.] or more and less than 75 ° C.
  • the frequency change rate may be adjusted to be ⁇ 5 [ppm] or less.
  • the temperature compensation signal generation circuit 30 is configured to generate a temperature compensation signal.
  • An electric signal having a voltage corresponding to the temperature of the vibrating element 10 is input from the temperature detection circuit 20 to the temperature compensation signal generation circuit 30.
  • the temperature compensation signal generation circuit 30 generates a temperature compensation signal that is an electric signal of voltage and corrects the frequency temperature characteristic of the vibrating element 10 based on the electric signal input from the temperature detection circuit 20. For example, in the frequency temperature characteristic of the vibrating element 10, when the frequency change rate of the oscillation frequency is positive (plus) when the temperature of the vibrating element 10 is 100 [° C.], the temperature compensation signal generation circuit 30 is the vibrating element 10.
  • a temperature compensation signal is generated so that the frequency change rate of the oscillation frequency of the vibrating element 10 becomes negative (minus).
  • the frequency change rate of the oscillation frequency of the vibrating element 10 before the correction is reduced or canceled, and the frequency temperature characteristic is corrected.
  • the capacitance range of the variable capacitor 61 is preset so as to correct the frequency temperature characteristic of the vibrating element 10 in a predetermined temperature range.
  • the variable capacitor 61 is, for example, a voltage adjusting capacitor that changes the capacitance according to the applied voltage.
  • a temperature compensation signal of a voltage for correcting the frequency temperature characteristic of the vibrating element 10 is input to the variable capacitor 61 from the temperature compensation signal generation circuit 30.
  • the variable capacitor 61 is configured to change the capacitance in the above-mentioned range based on the temperature compensation signal. As a result, the frequency temperature characteristic of the vibrating element 10 is corrected.
  • the frequency change rate of the oscillation frequency in the predetermined temperature range can be reduced. Therefore, the accuracy required for the oscillation frequency can be extended to a wider temperature range as compared with the conventional oscillator.
  • the temperature compensation circuit 60 is an analog circuit, but the present invention is not limited to this.
  • the temperature compensation circuit 60 may be a digital circuit.
  • the temperature compensation circuit 60 is not limited to the case where the capacitance of the variable capacitor 61 is changed to correct the frequency temperature characteristic of the vibrating element 10.
  • various methods such as a direct type, an indirect type, and a method using a constant temperature bath can be used.
  • the temperature compensation circuit 60 also serves as an oscillation circuit for oscillating the vibrating element 10.
  • the temperature compensation circuit 60 generates and outputs an oscillation signal based on the oscillation of the vibrating element 10.
  • FIG. 1 shows an example in which the vibrating element 10 and the temperature compensation circuit 60 form a Colpitts oscillator circuit, but the present invention is not limited to this.
  • the vibrating element 10 and the temperature compensating circuit 60, or a circuit other than the vibrating element 10 and the temperature compensating circuit 60 constitute another type of oscillating circuit such as a Pierce oscillating circuit, a Hartley oscillating circuit, or a Clapp oscillating circuit. May be good.
  • FIG. 6 is a graph showing a first example of the correction result by the temperature compensation circuit 60 in one embodiment.
  • FIG. 7 is a graph showing a second example of the correction result by the temperature compensation circuit 60 in one embodiment.
  • the horizontal axis is the temperature of the vibrating element 10 detected by the temperature detection circuit 20, and the unit is [° C.].
  • the vertical axis is the frequency change rate ( ⁇ F / F) of the oscillation frequency, and the unit is [ppm].
  • the frequency temperature characteristics after correction are shown by solid lines, and the frequency temperature characteristics before correction are shown by broken lines.
  • the frequency temperature characteristic before correction is, for example, the frequency temperature characteristic of the vibrating element 10 shown in FIG.
  • the frequency temperature characteristic before correction is in the temperature range of 85 [° C.] or more and less than 125 [° C.], and the frequency change rate of the oscillation frequency increases sharply.
  • the predetermined temperature range for correcting the frequency temperature characteristic of the vibrating element 10 by the temperature compensation circuit 60 is set to be a temperature range of 85 [° C.] or more and less than 125 [° C.].
  • the range of capacitance change of the capacitor 61 is set in advance so that the oscillation frequency of the vibrating element 10 is corrected when the temperature of the vibrating element 10 by the temperature detection circuit 20 is 85 [° C.] or more and less than 125 [° C.].
  • the frequency temperature characteristic is corrected in the temperature range of 85 [° C.] or more and less than 125 [° C.]
  • the corrected frequency temperature characteristic shown by the solid line is ⁇ 40 [° C.] or more.
  • the frequency change rate of the oscillation frequency can achieve an accuracy of about ⁇ 10 [ppm].
  • the predetermined temperature range in which the frequency temperature characteristic of the vibrating element 10 is corrected is a temperature range of 85 [° C.] or more and less than 125 [° C.]
  • the accuracy of the oscillation frequency can be increased to a wider temperature range than before. It is possible to easily realize the required oscillator for in-vehicle use, BLE compatible device, and the like.
  • the temperature range is ⁇ 40 [° C.] or more and less than 0 [° C.].
  • the frequency change rate of the oscillation frequency increases sharply in both the temperature range of 75 [° C.] or more and less than 125 [° C.].
  • the predetermined temperature range for correcting the frequency temperature characteristic of the vibrating element 10 by the temperature compensation circuit 60 is a temperature range of -40 [° C.] or more and less than 0 [° C.] and 75 [° C.] or more and less than 125 [° C.]. Keep it within the temperature range.
  • the oscillation frequency of the vibrating element 10 is corrected when the temperature of the vibrating element 10 by the temperature detection circuit 20 is -40 [° C.] or more and less than 0 [° C.] and 75 [° C.] or more and less than 125 [° C.].
  • the range of the capacitance change of the capacitor 61 is set in advance so as to be performed.
  • the frequency temperature characteristic is corrected in both the temperature range of ⁇ 40 [° C.] or more and less than 0 [° C.] and the temperature range of 75 [° C.] or more and less than 125 [° C.].
  • the corrected frequency temperature characteristic shown by the solid line can achieve an accuracy of about ⁇ 5 [ppm] in the frequency change rate of the oscillation frequency in the temperature range of ⁇ 40 [° C.] or more and less than 125 [° C.].
  • the predetermined temperature range in which the frequency temperature characteristic of the oscillating element 10 is corrected is a temperature range of -40 [° C.] or more and less than 0 [° C.] and a temperature range of 75 [° C.] or more and less than 125 [° C.]. Therefore, it is possible to easily realize an oscillator for an in-vehicle use, a BLE-compatible device, or the like, which requires accuracy of the oscillation frequency over a wider temperature range than the conventional one.
  • the vibrating element 10 has a frequency temperature characteristic in which the frequency change rate of the oscillation frequency in the temperature range of 0 [° C.] or more and less than 75 [° C.] is ⁇ 5 [ppm] or less, the temperature range is wider than before. It is possible to more easily realize an oscillator for an in-vehicle device, a BLE-compatible device, or the like, which requires accuracy of the oscillation frequency.
  • the present invention is not limited to this.
  • the temperature compensation circuit 60 may be configured as a single circuit instead of a part of the integrated circuit 50.
  • the temperature compensation circuit 60 is not limited to the case where it also serves as an oscillation circuit.
  • the oscillator 100 may include an oscillation circuit together with the temperature compensation circuit 60.
  • the frequency temperature characteristic of the vibrating element is corrected in a predetermined temperature range.
  • the frequency change rate of the oscillation frequency in a predetermined temperature range can be reduced. Therefore, the accuracy required for the oscillation frequency can be extended to a wider temperature range as compared with the conventional oscillator.
  • the predetermined temperature range in which the frequency temperature characteristic of the vibrating element is corrected is a temperature range of 85 [° C.] or more and less than 125 [° C.].
  • the predetermined temperature range in which the frequency temperature characteristic of the vibrating element is corrected is a temperature range of -40 [° C.] or more and less than 0 [° C.] and 75 [° C.] or more and 125 [° C.]. ] Is a temperature range less than.
  • the vibrating element has a frequency temperature characteristic in which the frequency change rate of the oscillation frequency in the temperature range of 0 [° C.] or more and less than 75 [° C.] is ⁇ 5 [ppm] or less.
  • the vibrating element is an AT-cut crystal vibrating element, and the frequency change rate of the oscillation frequency is ⁇ 35 in the temperature range of ⁇ 40 [° C.] or more and less than 125 [° C.]. It has a frequency temperature characteristic of [ppm] or less. Thereby, the rate of change of the oscillation frequency in the temperature range of ⁇ 40 [° C.] or more and less than 125 [° C.] can be reduced. Therefore, the accuracy required for the oscillation frequency can be extended to a wider temperature range as compared with the conventional vibrating element.

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Abstract

発振周波数に求められる精度をより広い温度範囲まで拡張することのできる発振器、温度補償回路、及び水晶振動素子を提供する。 発振器１００は、振動素子１０と、振動素子１０の温度を検出する温度検出回路２０と、検出された温度を含む所定の温度範囲において、振動素子１０の周波数温度特性を補正する温度補償回路６０と、を備える。これにより、所定の温度範囲における発振周波数の変化率を低減させることができる。

Description

発振器、温度補償回路、及び水晶振動素子
　本発明は、発振器、温度補償回路、及び水晶振動素子に関する。
　引用文献１には、振動素子と、振動素子の出力信号に基づいて無線送信用のクロック信号を生成するフラクショナルＮ－ＰＬＬ回路と、無線送信用のクロック信号に基づいて無線送信信号を生成するパワーアンプと、を有する無線送信用ＩＣと、無線送信用ＩＣを制御する制御装置と、制御装置に接続される温度検出素子と、を含み、制御装置は、温度検出素子から得られる温度情報に基づいて、無線送信信号の周波数が温度補償されるようにフラクショナルＮ－ＰＬＬ回路を制御する無線送信装置が開示されている。無線送信装置は、高価な温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ）を用いることなく、適切に温度補償された無線送信信号を生成している。
特開平６－８５５３８号公報
　引用文献１では、振動素子は周波数温度特性を有しており、無線送信装置が温度情報に基づいて、フラクショナルＮ－ＰＬＬ回路を用いて無線送信信号の周波数を温度補償している。
　ところで、一般向けの発振器では、例えば、－４０［℃］から８５［℃］の温度範囲において、数十ｐｐｍ程度の周波数精度が要求されている。
　一方、近年、例えば車載用やＢＬＥ（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ　Ｌｏｗ　Ｅｎｅｒｇｙ）の対応機器用等の発振器では、８５［℃］以上の温度範囲においても、同様の精度の発振周波数が求められてきている。
　本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的の１つは発振周波数に求められる精度をより広い温度範囲まで拡張することのできる発振器、温度補償回路、及び水晶振動素子を提供することである。
　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発振器は、振動素子と、振動素子の温度を検出する温度検出回路と、検出された温度を含む所定の温度範囲において、振動素子の周波数温度特性を補正する温度補償回路と、を備える。
　本発明の他の側面に係る温度補償回路は、振動素子を含む発振器の温度補償回路であって、振動素子の検出された温度を含む所定の温度範囲において、振動素子の周波数温度特性を補正する。
　本発明の他の側面に係る水晶振動素子は、ＡＴカットの水晶振動素子であって、－４０℃以上１２５℃未満の温度範囲における発振周波数の周波数変化率が±３５ｐｐｍ以下である周波数温度特性を有する。
　本発明によれば、発振周波数に求められる精度をより広い温度範囲まで拡張することができる。
図１は、一実施形態における発振器の概略構成を例示するブロック図である。 図２は、ＡＴカット水晶振動素子の周波数温度特性を例示するグラフである。 図３は、一実施形態における振動素子の周波数温度特性の第１例を示すグラフである。 図４は、一実施形態における振動素子の周波数温度特性の第２例を示すグラフである。 図５は、一実施形態における振動素子の周波数温度特性の第３例を示すグラフである。 図６は、一実施形態における温度補償回路による補正結果の第１例を示すグラフである。 図７は、一実施形態における温度補償回路による補正結果の第２例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、一実施形態に従う発振器の構成について説明する。図１は、一実施形態における発振器１００の概略構成を例示するブロック図である。
　図１に示すように、発振器１００は、振動素子１０と、集積回路５０と、を備える。発振器１００は、例えば、振動素子１０が水晶振動素子である場合、振動素子１０の発振周波数における温度特性を補償する温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ：Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）である。
　振動素子１０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。
　振動素子１０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、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、この性質は、「周波数温度特性」又は単に温度特性と呼ばれている。周波数温度特性は、その精度を示す指標として、振動素子の温度に対する発振周波数の周波数変化率が用いられている。
　以下において、特に明記する場合を除き、振動素子１０は水晶振動素子であり、発振器１００は温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ）である例を用いて説明する。
　集積回路５０は、温度補償回路６０と、温度補償回路６０の出力信号を反転するためのインバーター７０と、を含む。集積回路５０は、例えば、ワンチップのＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｉｆｉｃ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）で構成されている。なお、集積回路５０は、ＡＳＩＣ以外の集積回路、例えば、ＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｌｏｇｉｃ　Ｄｅｖｉｃｅ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ）、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）等であってもよい。
　本実施形態では、説明の簡略化のために、集積回路５０が温度補償回路６０及びインバーター７０を含む例を示したが、これに限定されるものではない。集積回路５０は、温度補償回路６０及びインバーター７０以外の回路又は素子、例えば、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ　Ｌｏｃｋｅｄ　Ｌｏｏｐ）回路等を含んでいてもよい。
　温度補償回路６０は、温度検出回路２０と、温度補償信号発生回路３０と、可変コンデンサ６１，６２と、抵抗器６３と、インバーター６４とを含み、集積回路５０の端子を介して、振動素子１０に電気的に接続されている。
　温度補償回路６０は、所定の温度範囲において、振動素子１０の周波数温度特性を補正するように、構成されている。より詳細には、温度補償回路６０は、温度検出回路２０によって検出された振動素子１０の温度が所定の温度範囲に含まれるときに、振動素子１０の周波数温度特性を補正するように、構成されている。
　温度検出回路２０は、振動素子１０の温度、より詳細には、振動素子１０の周辺雰囲気の温度を検出するように構成されている。温度検出回路２０は、例えば温度センサを含み、温度センサが検出した温度に対応する、アナログの電気信号を出力する。なお、温度検出回路２０は、温度補償回路６０に含まれる場合に限定されるものではない。温度検出回路２０は、温度補償回路６０以外の回路に含まれていてもよいし、他の回路から独立した単体の回路であってもよい。同様に、温度検出回路２０は、集積回路５０に含まれる場合に限定されるものではない。
　ここで、図２から図５を参照しつつ、振動素子の周波数温度特性について説明する。図２は、ＡＴカット水晶振動素子の周波数温度特性を例示するグラフである。図３は、一実施形態における振動素子１０の周波数温度特性の第１例を示すグラフである。図４は、一実施形態における振動素子１０の周波数温度特性の第２例を示すグラフである。図５は、一実施形態における振動素子１０の周波数温度特性の第３例を示すグラフである。図２から図５において、横軸は温度検出回路２０が検出する振動素子１０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。
　図２に示すように、ＡＴカット水晶振動素子は、一般に、略３次関数のように変化する周波数温度特性を有することが知られている。なお、図２に示す各曲線は、前述した人工水晶の検証軸であるＹ軸及びＺ軸を、Ｘ軸の周りにＹ軸からＺ軸の方向に、所定の角度、具体的には３５度１５分回転させたときの角度から、角度を１分ごと変化させたときの周波数温度特性である。以下、この角度を「カット角」という。すなわち、図２の複数の曲線は、それぞれ異なるカット角で切り出したＡＴカット型の水晶片を含むＡＴカット水晶振動素子の周波数温度特性である。図２から明らかなように、ＡＴカット水晶振動素子は、カット角を変化させることで、基準温度、例えば２５［℃］において、周波数温度特性の単位温度あたりの発振周波数の周波数変化率、つまり、傾きの値を変えることが可能である。
　本実施形態の振動素子１０は、基準温度における周波数温度特性の傾きを変化させ、所定の温度範囲における発振周波数の周波数変化率を低減させた周波数温度特性を有している。
　具体的には、例えば、図３に示すように、振動素子１０の周波数温度特性は、－４０［℃］以上８５［℃］未満の温度範囲において、発振周波数の周波数変化率が±１０［ｐｐｍ］程度になるように、調整されている。なお、発振周波数の周波数変化率は、振動素子１０の個体ばらつきがあるため、実際には、複数の振動素子における発振周波数の平均の周波数変化率である。以下、特に明示する場合を除き、発振周波数の周波数変化率は、複数の振動素子における発振周波数の平均の周波数変化率であるものとする。
　また、より広い温度範囲において所定の精度が得られるように、例えば、図４に示すように、振動素子１０の周波数温度特性は、－４０［℃］以上１２５［℃］未満の温度範囲において、発振周波数の周波数変化率が±３５［ｐｐｍ］以下、好ましくは±３０［ｐｐｍ］以下、さらに好ましくは±２５［ｐｐｍ］以下になるように、調整されていてもよい。このように、振動素子１０が、－４０［℃］以上１２５［℃］未満の温度範囲において、発振周波数の周波数変化率が±３５［ｐｐｍ］以下である周波数温度特性を有することにより、－４０［℃］以上１２５［℃］未満の温度範囲における発振周波数の周波数変化率を低減させることができる。従って、従来の振動素子と比較して、発振周波数に対して求められている精度をより広い温度範囲まで拡張することができる。
　また、常温の温度範囲においてより高い精度が得られるように、例えば、図５に示すように、振動素子１０の周波数温度特性は、０［℃］以上７５℃未満の温度範囲において、発振周波数の周波数変化率が±５［ｐｐｍ］以下になるように、調整されていてもよい。
　図１の説明に戻り、温度補償信号発生回路３０は、温度補償信号を生成するように構成されている。温度補償信号発生回路３０には、温度検出回路２０から、振動素子１０の温度に応じた電圧の電気信号が入力される。温度補償信号発生回路３０は、温度検出回路２０から入力される電気信号に基づいて、電圧の電気信号であって、振動素子１０の周波数温度特性を補正する温度補償信号を発生させる。例えば、振動素子１０の周波数温度特性において、振動素子１０の温度が１００［℃］のときの発振周波数の周波数変化率が正（プラス）である場合、温度補償信号発生回路３０は、振動素子１０の温度が１００［℃］のときに、振動素子１０の発振周波数の周波数変化率が負（マイナス）になるように、温度補償信号を発生させる。これにより、補正前の振動素子１０が有していた発振周波数の周波数変化率が低減又は相殺され、周波数温度特性が補正される。
　可変コンデンサ６１は、所定の温度範囲において振動素子１０の周波数温度特性を補正するように、その静電容量の範囲があらかじめ設定されている。可変コンデンサ６１は、例えば、印加電圧によって静電容量を変化させる電圧調整コンデンサである。可変コンデンサ６１には、温度補償信号発生回路３０から、振動素子１０の周波数温度特性を補正する電圧の温度補償信号が入力される。可変コンデンサ６１は、この温度補償信号に基づいて、前述した範囲で静電容量を変化させるように構成されている。これにより、振動素子１０の周波数温度特性が補正される。
　このように、所定の温度範囲において、振動素子１０の周波数温度特性を補正することにより、所定の温度範囲における発振周波数の周波数変化率を低減させることができる。従って、従来の発振器と比較して、発振周波数に対して求められている精度をより広い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６０がアナログ回路である例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、温度補償回路６０は、デジタル回路であってもよい。また、温度補償回路６０は、可変コンデンサ６１の静電容量を変化されて振動素子１０の周波数温度特性を補正する場合に限定されるものではない。温度補償回路６０が振動素子１０の周波数温度特性を補正する方法は、例えば、直接型、間接型、恒温槽を用いる方式等、様々なものを用いることができる。
　また、温度補償回路６０は、振動素子１０を発振させる発振回路としての役割も果たている。温度補償回路６０は、振動素子１０の発振に基づく発振信号を生成して出力する。なお、図１では、振動素子１０及び温度補償回路６０が、コルピッツ発振回路を構成する例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、振動素子１０及び温度補償回路６０、又は、振動素子１０と温度補償回路６０以外の回路とによって、ピアース発振回路、ハートレー発振回路、クラップ発振回路等の他の種類の発振回路を構成してもよい。
　次に、図６及び図７を参照しつつ、一実施形態に従う温度補償回路６０による補正について説明する。図６は、一実施形態における温度補償回路６０による補正結果の第１例を示すグラフである。図７は、一実施形態における温度補償回路６０による補正結果の第２例を示すグラフである。図６及び図７において、横軸は温度検出回路２０が検出する振動素子１０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、補正後の周波数温度特性を実線で示し、補正前の周波数温度特性を破線で示す。
　図６に示すように、補正前の周波数温度特性は、例えば、図３に示した振動素子１０の周波数温度特性である。補正前の周波数温度特性は、８５［℃］以上１２５［℃］未満の温度範囲で、発振周波数の周波数変化率が急激に大きくなっている。この場合、温度補償回路６０による振動素子１０の周波数温度特性を補正する所定の温度範囲が、８５［℃］以上１２５［℃］未満の温度範囲になるようにしておく。具体的には、温度検出回路２０による振動素子１０の温度が８５［℃］以上１２５［℃］未満のときに振動素子１０の発振周波数を補正するように、コンデンサ６１の容量変化の範囲をあらかじめ設定しておく。その結果、図６に矢印で示すように、８５［℃］以上１２５［℃］未満の温度範囲において周波数温度特性が補正され、実線で示す補正後の周波数温度特性は、－４０［℃］以上１２５［℃］未満の温度範囲で、発振周波数の周波数変化率が±１０［ｐｐｍ］程度の精度を達成することができる。
　このように、振動素子１０の周波数温度特性が補正される所定の温度範囲が、８５［℃］以上１２５［℃］未満の温度範囲であることにより、従来より広い温度範囲まで発振周波数の精度が求められる、車載用、ＢＬＥ対応機器用等の発振器を容易に実現することができる。
　また、図７に示すように、補正前の周波数温度特性が、例えば、図５に示した振動素子１０の周波数温度特性である場合、－４０［℃］以上０［℃］未満の温度範囲と７５［℃］以上１２５［℃］未満の温度範囲との両方で、発振周波数の周波数変化率が急激に大きくなっている。この場合、温度補償回路６０による振動素子１０の周波数温度特性を補正する所定の温度範囲が、－４０［℃］以上０［℃］未満の温度範囲と７５［℃］以上１２５［℃］未満の温度範囲とになるようにしておく。具体的には、温度検出回路２０による振動素子１０の温度が、－４０［℃］以上０［℃］未満及び７５［℃］以上１２５［℃］未満のときに振動素子１０の発振周波数を補正するように、コンデンサ６１の容量変化の範囲をあらかじめ設定しておく。その結果、図７に矢印で示すように、－４０［℃］以上０［℃］未満の温度範囲と７５［℃］以上１２５［℃］未満の温度範囲との両方において周波数温度特性が補正され、実線で示す補正後の周波数温度特性は、－４０［℃］以上１２５［℃］未満の温度範囲で、発振周波数の周波数変化率が±５［ｐｐｍ］程度の精度を達成することができる。
　このように、振動素子１０の周波数温度特性が補正される所定の温度範囲が、－４０［℃］以上０［℃］未満の温度範囲と７５［℃］以上１２５［℃］未満の温度範囲とであることにより、従来より広い温度範囲まで発振周波数の精度が求められる、車載用、ＢＬＥ対応機器用等の発振器を容易に実現することができる。
　また、振動素子１０が、０［℃］以上７５［℃］未満の温度範囲における発振周波数の周波数変化率が±５［ｐｐｍ］以下である周波数温度特性を有することにより、従来より広い温度範囲まで発振周波数の精度が求められる、車載用、ＢＬＥ対応機器用等の発振器をさらに容易に実現することができる。
　本実施形態では、温度補償回路６０が集積回路５０に含まれる含む例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、温度補償回路６０は、集積回路５０の一部ではなく、単体の回路として構成されていてもよい。また、温度補償回路６０は、発振回路を兼ねる場合に限定されるものでない。発振器１００は、温度補償回路６０とともに、発振回路を備えていてもよい。
　以上、本発明の例示的な実施形態について説明した。本発明の一実施形態に従う発振器及び温度補償回路によれば、所定の温度範囲において、振動素子の周波数温度特性が補正される。これにより、所定の温度範囲における発振周波数の周波数変化率を低減させることができる。従って、従来の発振器と比較して、発振周波数に対して求められている精度をより広い温度範囲まで拡張することができる。
　また、前述した発振器及び温度補償回路において、振動素子の周波数温度特性が補正される所定の温度範囲が、８５［℃］以上１２５［℃］未満の温度範囲である。これにより、従来より広い温度範囲まで発振周波数の精度が求められる、車載用、ＢＬＥ対応機器用等の発振器を容易に実現することができる。
　また、前述した発振器及び温度補償回路において、振動素子の周波数温度特性が補正される所定の温度範囲が、－４０［℃］以上０［℃］未満の温度範囲と７５［℃］以上１２５［℃］未満の温度範囲とである。これにより、従来より広い温度範囲まで発振周波数の精度が求められる、車載用、ＢＬＥ対応機器用等の発振器を容易に実現することができる。
　また、前述した発振器において、振動素子は、０［℃］以上７５［℃］未満の温度範囲における発振周波数の周波数変化率が±５［ｐｐｍ］以下である周波数温度特性を有する。これにより、従来より広い温度範囲まで発振周波数の精度が求められる、車載用、ＢＬＥ対応機器用等の発振器をさらに容易に実現することができる。
　また、本発明の一実施形態に従う振動素子によれば、ＡＴカットの水晶振動素子であって、－４０［℃］以上１２５［℃］未満の温度範囲において、発振周波数の周波数変化率が±３５［ｐｐｍ］以下である周波数温度特性を有する。これにより、－４０［℃］以上１２５［℃］未満の温度範囲における発振周波数の変化率を低減させることができる。従って、従来の振動素子と比較して、発振周波数に対して求められている精度をより広い温度範囲まで拡張することができる。
　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。
　１０…振動素子、２０…温度検出回路、５０…集積回路、６０…温度補償回路、６１，６２…可変コンデンサ、６３…抵抗器、６４…インバーター、７０…インバーター、１００…発振器。

Claims (8)

  1. 　振動素子と、
    　前記振動素子の温度を検出する温度検出回路と、
    　前記検出された温度を含む所定の温度範囲において、前記振動素子の周波数温度特性を補正する温度補償回路と、を備える、
    　発振器。
  2. 　前記所定の温度範囲は、８５℃以上１２５℃未満の温度範囲である、
    　請求項１に記載の発振器。
  3. 　前記所定の温度範囲は、－４０℃以上０℃未満の温度範囲と７５℃以上１２５℃未満の温度範囲とである、
    　請求項１に記載の発振器。
  4. 　前記振動素子は、０℃以上７５℃未満の温度範囲における発振周波数の周波数変化率が±５ｐｐｍ以下である周波数温度特性を有する、
    　請求項３に記載の発振器。
  5. 　振動素子を含む発振器の温度補償回路であって、
    　前記振動素子の検出された温度を含む所定の温度範囲において、前記振動素子の周波数温度特性を補正する、
    　温度補償回路。
  6. 　前記所定の温度範囲は、８５℃以上１２５℃未満の温度範囲である、
    　請求項５に記載の温度補償回路。
  7. 　前記所定の温度範囲は、－４０℃以上０℃未満の温度範囲と７５℃以上１２５℃未満の温度範囲とである、
    　請求項５に記載の温度補償回路。
  8. 　ＡＴカットの水晶振動素子であって、
    　－４０℃以上１２５℃未満の温度範囲における発振周波数の周波数変化率が±３５ｐｐｍ以下である周波数温度特性を有する、
    　水晶振動素子。
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