JPH02174407A - 周波数温度補償水晶発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 水晶振動子の周波数温度特性を補償して一定な発振周波
数を出力するように設計された、特に温（従来の技術） 高温度の恒温槽に水晶振動子を内蔵させた高安定恒温槽
水晶発振器は、恒温保持の電力を必要とすること及び恒
温槽そのものが小型化を妨げていることから、特殊な用
途に限定されている。

この欠点を改善するため、サーミスタ等の感温素子を用
いて、温度−電気抵抗値の変化を電圧−静電容量値に変
換して、これを水晶振動子の等価負荷容量の変化として
利用することにより、水晶振動子の周波数温度変化を補
償する小型な非恒温槽型の周波数温度補償水晶発振器（
以下ＴＣＸＯとする）が広く使用されている。

このＴＣＸＯをさらに改良して、水晶振動子固有の周波
数対温度のデーターを演算処理してメモリしておき、こ
れを周波数温度補償に利用するディジタル周波数温度補
償発振回器（以下ＤＴＣＸＯとする）が開発されて実用
段階にある。

（発明が解決しようとするＬｄ） 従来、ＴＣＸＯあるいはＤＴＣＸＯの温度検出には、例
えば、サーミスタ、ポジスタ等の感温素子を用いてきて
いるが、測温対象の水晶振動子と必ずしも等価位置で等
価熱容量とすることはできないから、環境温度の急な変
化に対して、どうしても感温素子と水晶振動子との間で
温度差を生じ、周波数温度補償特性の劣化を招いていた
。

また、感温素子は化合物半導体材料を混成焼結して製造
することが多く、その化合物成分の不安定性に起因する
と考えられる経時変化が避けられず、安定性と信頼性を
損ねている。

これを改善するため、熱電錐などの利用が考えられたが
、低感度と低インピーダンスであることから、現在は殆
ど使用されていない。

また、半導体材料からなる感温素子は温度に対する抵抗
値の変化が指数関数的に大きく変化することから、単一
の素子で温度全Ｉａｔこわたって温度補償することは到
底不可能である。従って、特性の異なる２個ないしは３
個の感温素子を各々分担する狭い温度域に分割して一体
に組合せた回路構成としなければならなかった。

第５図に従来例として、温度補償域をＴ　ＣＬ、Ｔ　Ｃ
Ｍ、ＴＣＨの３つに分担してそれぞれに可変容量素子Ｖ
ＣＩ、ＶＯ２、ＶＯ２を制御しているＴＣＸＯの例を示
す。

しかし、この感温素子の特性を要求に合致させることは
極めて難しく、多く素子の中から選別して目的の特性を
持った素子を得るは、かはなかった。

従って、回路のｆｌ整作業も勢い複雑を極め、コンピュ
ータを利用しても、なお調整や測定Ｚこ長時間かけなけ
ればならなかった。

このようにしても、補償温度全域にわたって周波数偏差
の仕様規格内に温度補償するのは非常に困難になりつつ
あり、新たな技術手段の開発が強く望まれていた。

ＤＴＣＸＯは、水晶振動子の固有周波数温度特性に一致
させた補償データを基に理想的な周波数温度補償を行い
易い利点があり、理論的には任意の周波数偏差規格内に
補償することができる。

第６図にスイッチドキャパシタを用いて、最適な補償容
量Ｃｎを５ｎ（ｎは自然数）の選択的開閉により温度補
償制御するＤＴＣＸＯの従来例を示す。

しかしながら、制御のために行う温度サンプリングの粗
さによって補償する周波数はなかなか平坦とならず、サ
ンプリングの量子化ノイズあるいはジッターが発生する
こと、演算マイクロコンピュータあるいはメモリー等の
多くの半導体素子を含むディジタルデータ処理回路の消
費電力が比較的大きくなり、小型低消費電力の要求に合
致しないなどの欠点があった。

本発明は、これらの欠点に鑑みてなされたもので、小型
低消費、電力の周波数温度補償発振器を高精度かつ高信
頼性に実現することを目的とするものである。

（ｒＲ題を解決するための手段） 水晶基板の固有撮動姿態として様々なものがあり、その
中の一つのｔｉ動姿態に着目して主振動姿態（以下主振
動とする）として抽出し利用する。

動作温度範囲内で周波数温度変化が最小となるよう、周
波数温度特性に変曲点を含ませる切断角度を求め、各種
水晶振動子が実用化されている。

しかしながら、水晶基板の寸法形状が有限なため、主振
動の他に多くの共振（固有）振動姿態の発生を可能とす
る境Ｗ条件を満たし、その結果、主振動以外に望ましく
ない多数の副振動（スプリアスＪＨ動’）　φＢ（以下
副振動とする）を観測することがある。

副振動はその発生形態から２つに分類される。

主振動周波数と副振動（高次高調波）周波数とが河等か
の理由により一致して音響的に結合し生起する場合（結
合共振）と、たまたま副振動周波数が発振回路の発振条
件を満足し主振動との間の結合が弱く単独に近い形で生
起する場合（非結合共振）とである。一般に、水晶発振
器の安定性を維持するには、結合共振の副振動との結合
を小さくしてより純粋な主振動を如何にして得るかに多
くの努力が払われてきた。

他方、非結合共振の副振動は、発振回路に周波数選択手
段等を設けるとかあるいは振動子の形状寸法の変更とか
の設計手段等により、結合共振の場合に比較してその抑
圧が容易である。

本発明は、特にこの非結合の副振動に着目し、独立の振
動姿態として主振動に与える影響が少ない副振動を同時
に発振させて、それぞれの周波数に分離し、副振動周波
数の温度特性から逆に水晶基板の温度を検出して、主振
動周波数の温度特性を補償制御するものである。

ＡＴカット水晶振動子を例にとって説明する。

第４図（１））に示すように、平板形状に設計したＡＴ
カット水晶基板１の板面上に、部分励振型ｒｉ１５　ａ
、５ｂを配設した水晶振動子は、同図（ｃ）の厚みすべ
り振動姿態ＴＳで共振させると、切断角度がＡＴカット
に近接したＣＴカット相当の同図（ｄ）の面滑りＷｉ動
姿態ＦＳを、両娠動姿態間の音響的結合を利用すること
なしに、同時に共振させることができる。

これは、この振動姿態の節点が中心以外に辺縁中央部に
４箇所あり、ＡＴカフェ・振動子の支持と一致させ易い
こと及び水晶基板の厚みがＣＴ力・ント娠動子の最適厚
みに近いことなどが両共振の共存できる主な理由である
。

しかしながら、第４図（ｄ）に示すように、水晶基板１
をＣＴカット水晶据動子として面滑り振動姿態ＦＳで動
作させたとき、同図（ａ）に示すようにその周波数温度
特性ＦＳの変曲点は常温になく、ＡＴカット水晶振動子
としての周波数温度特性ＴＳが最平坦部を与える常温付
近では、はぼ直線的で急激な変化を示している。

この温度特性の差異は水晶基板の設計により一方的に決
まるものであり、周波数調整等の付随する加工処理等に
よってあまり変化せず、いわばその水晶基板１に固有な
特性とみなすことができるので、この副振動の周波数Ｆ
ｌの温度特性を抽出することにより、逆にその水晶基板
ｌの温度を正確に検知できる。

本発明は、この原理を応用して水晶基板自体の温度を検
出し温度補償制御に利用するものである。

すなわち、 水晶振動子と発振回路と温度補償回路とを接続した周波
数温度補償水晶発振器において、水晶振動子の水晶基板
の表裏板面上に独立した２つの励振電極対を設け、一方
の励振電極対に温度ｍｆｒ４回路と第１発振回路とを接
続して主振動を発振させ、他方の励振電極対に第２発振
回路を接続して副振動を発振させ、副振動周波数の温度
特性から水晶基板の温度を検出して温度補償回路を；ｌ
／Ｊ御して第１発振回路の主振動周波数を温度補償する
手段、あるいは 水晶振動子の水晶基板の表裏板面上に１つの励振電極対
を設け、この励振電極対に温度補償回路と第１発振回路
とを接続して主振動を発振させ、また、同励振電極対に
１収載濾波回路と第２発振回路とを接続して主振動と同
時に副振動を発振させ、主振動周波数と副振動周波数と
をそれぞれ分離し、副振動周波数の温度特性から水晶基
板の温度を検出して温度補償回路を制御して第１発振回
路の主振動周波数を温度補償する手段、 のいづれかを用いて周波数温度補償水晶発振器を構成す
るものである。

（発明の作用） 上記のように構成した周波数温度補償発振器は、水晶基
板の温度検出光とその主振動周波数の温度補償する対象
先とが同一水晶基板そのものであり、周波数温度補償す
る機能が同じ周波数というデータ形式を介して滑らかか
つ高精度に行われる。

しかし高信頼な周波数温度補償を保証するには、温度検
出の副振動と周波数温度特性の補償対象の主振動とが互
いに水晶基板上で直接干渉しないよう、音響的結合の少
ない独立した振動姿態を選ぶことが重要である。

非結合共振を利用する場合は、１つの励振電極対に主振
動と副振動の両振動を同時に発振させ、それぞれの周波
数に分離することができる（第２図、第３図及び第４図
（ｂ））。

あるいは、主振動の振動部分と副振動の振動部分との間
に切り溝等を設けて構造的に遮断することにより、両娠
動閘の相互干渉をほぼ完全に防止することができる（第
１図（ｂ））。

この場合、２つの励振電極対を音響的に隔離できれば、
両振動が結合共振することがある振動姿態も本発明とし
て実施できる。

通常、周波数温度補償は温度−周波数の変換から周波数
−電圧値、そして電圧値−負荷容量値の変換へと順に実
行される。

この場合、従来のアナログ方式で実施されている周波数
温度補償制御方式の電圧値−負荷容量値の変換をそのま
ま本発明に転用できる。

図示してないが、この変換にＰＬＬループ制御系を用い
ることにより周波数−周波数の直接変換として実施する
ことができる。

（実施例） 第１図（ａ）は、水晶基板２の表裏板面に２個の独立し
た励振電極対（３、４を配設した構造の同図（ｂ）の水
晶振動子に必要な回路を接続して周波数温度補償水晶発
振器とした本発明の実施例である。

すなわち、一方の励振電極対４に第１発振回路０５２と
温度補償回路ＴＣとを接続し、他方の励振電極対３に第
２発振回路ｏＳｌとを接続したものであって、励振電極
対３はＣＴカット相当の面滑り振動姿態で発振し周波数
Ｆｌが得られる。

励振電極対４は、ＡＴカットの厚みすべり振動姿態で発
振し周波数Ｆ２が得られる。

副振動である面滑り振動周波数Ｆｌは温度の１価間数で
あるから、これより水晶基板２Φ温度が検出される。

この副振動周波数Ｆｌを周波数電圧変換回路ＦＶにより
電圧に変換するが、温度補償回路ＴＣの電圧−負荷容量
変換に必要な電圧値に整合させる。

図示してないが、副振動周波数Ｆ１を、周波数電圧変換
回路ＦＶの替わりに、例えば、ＰＬＬ等の周波数処理回
路を経由させることにより、主振動周波数Ｆ２を直接制
御することもできる。この場合、主振動と副振動との周
波数温度特性が一対一の対応間係であるならば、例えば
、最もスプリアスの少ないＹカット振動子など、動作温
度範囲内に変曲点を持たないために利用されることの少
なかった直線的に変化する周波数温度特性振ＩＪＪ姿態
などを主振動として、積極的に利用することができる。

水晶基板２ａの振動姿態をＤＴカット相当の面滑り振動
姿態とするならば、同２ｂをＢＴカッにとって厚みすべ
り振動姿態とすることもできる。

あるいは、水晶基板２ａ、２ｂは、基板中央部で溝切り
構造等により物理的に隔離されているから、例えば、結
合共振間係にある屈曲と厚みすべりの振動姿態を利用す
ることもできる。この場合、回路等の非直線結合を考慮
して高次高調波まで非整数倍関係を保ちつつ、主振動と
副振動の周波数を常に異ならしめることが重要である（
以下簡便ｔこ、これを異なる周波数とのみ表す）。

第２図（ａ）は、水晶基板１に単励振電極対５を配設し
た第４図（ｂ）の水晶振動子に必要な回路を接続して構
成した本発明の他の実施例である。

すなわち、副振動の面滑り振動姿態ＦＳと主振動の厚み
すべり振動姿態ＴＳとが非結合共振関係にあることを利
用して、励振電極対５において互いに干渉することなく
同時に重ね合わせ発振出来るように、両振動姿態の周波
数Ｆｌ、Ｆ２とを常に異ならしめて、励振電極対５に発
振回路ｏＳ１と低域通過フィルタＦＩＬとを接続したも
のに、発振回路ＯＳ２と温度補償回路ＴＣとを接続した
ものを、更に並列接続した例である。

温度補償制御は、発振回路Ｏ９Ｉの出力周波数Ｆ１を周
波数電圧変換口′ＰｔＦＶにより温度補償回路ＴＣの制
御電圧Ｖを出力し−Ｃ行うことが出来る。

この例において、水晶基板１の支持は両標動姿態を考慮
して四辺中央部にて行うのが望ましい。

第３図（ａ）に、第２図の実施例における励振゛電極対
５の発振波形（Ｆ　１　＋Ｆ２）を、同図（ｂ）に発振
回路ｏＳ２の発振出力波形（Ｆ２）を、そして同図（ｃ
）に発振回路ＯＳＩの発振出力波形（Ｆ１）をそれぞれ
示す。

なお、各発振回路を別々に接続されているようζこ図示
したが、画周波数は大きくかけ離れていて、例えば、Ｃ
Ｔカットの発振周波数Ｆ１は水晶基板辺長をＬとして、 Ｆ　Ｉ　＝にＩＬ　（ｋ＝３０８０ｋＨｚ　−ｍｍ）と
表されるから、１０ＭＨｚ、１１ＸＩ　１ｍｍの場合、
約２８０　Ｋ　Ｈｚとなり１つの発振回路で重ね合わせ
発振させることが可能である。

第４図（１））の水晶基板１の励振電極対５は、同図（
Ｃ）、　（（１）ここそれぞれ示す両振動姿態以外に発
生するスプリアス振動の抑圧のために部分電極対として
いるが、他方、面中央部において面滑り振動姿態ＦＳが
節をとるので、厚みすべり振動６ＢＴＳの最大変位部分
と重ならず干渉を避ける意味合において非常に都合がよ
い。

（発明の効果） 本発明は、上記詳述したように構成されているので、水
晶基板の主振動姿態に結合しない副振動姿態の温度特性
を用いて、基板から基板温度を周波数の形で直接検出し
、同時に基板の主振動周波数を温度補償制御するもので
あるので、温度測定と制御に伴う従来の欠点が全くなく
理想的な温度ある。

利用する撮動姿態は、従来実施されてきたものに限定さ
れることなく、動（′ｌ：温度範囲内に周波数温度特性
の変曲点を有しないものであつも利用出来る。スプリア
ス抑圧に効果のある手段等が、Ｐ１波数温度特性が劣る
ことを理由に利用されることのなかった、例えは、Ｙカ
ットなどの各種カットに大いに適用できることになり、
技術的に資するところ大である。

利用しようとする振動姿態が上記の通り結合しない状態
に分離可能ならば、他の圧電材に適用可能であり、水晶
に限定されることはない。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の一実施例の構成図、同図（１）
）はそれに適用されろ水晶振動子基板の斜視図、第２図
は本発明の他の実施例の構成図、第３図（ａ）（ｂ）（
ｃ）は第２図の周波数Ｆ１＋Ｆ２、Ｆｌ、Ｆ２の波形図
である。 第４図（ａ）はＡＴカット水晶振動子の振ｖ１姿態の周
波数温度特性図、同図（ｂ）は第２図に適用される水晶
振動子基板斜視図、同図（Ｃ）は厚みすべり撮動姿態説
明図、同図（ｄ）は面滑り撮動姿態説明図である。 第５図は従来例のＴＣＸＯ機能説明図、第６図は従来例
のＤＴＣＸＯ機能説明図である。 １．２・・・・・・水晶基板 ３、　　ＩＬ、　　５・・・・励振電極対Ｏ８１，Ｏ８
２，０５Ｃ−−発振回路 ＴＣ，Ｔ（Ｉ、〜ＴＣＨ ・・・・・温度補償回路 ＦＶ・・・・・・・周波数電圧変換回路ＦＩＬ・・・・
・・低域濾波回路 ＴＳ・・・・・・・厚みすべり振動姿態ＦＳ・・・・・
・・面滑り振動姿態 Ｘ・・・・・・・・水晶１辰動子 Ａ／Ｄ・・・・・・アナログデ（ジチル変換器 ＳＰ・・・・・・・同１１１１信号発生回路ＳＷ・・・
・・・・スイッチング回路 ＶＣＩ〜ＶＣ３・・容量可変ダイオード第１！！！ （Ｑ） 第４１！Ｉ 箪４閃 （Ｃ） （ｄ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）水晶振動子と発振回路と温度補償回路とを接続して
   なる周波数温度補償水晶発振器において、該水晶振動子
   の水晶基板（２）の表裏板面上に独立した２つの励振電
   極対（３、４）を配設し、一方の励振電極対（４）に該
   温度補償回路（ＴＣ）と第１発振回路（ＯＳ２）とを接
   続して主振動姿態を発振させ、かつ他方の励振電極対（
   ３）に第２発振回路（ＯＳ１）を接続して副振動姿態を
   発振させ、該副振動姿態の周波数（Ｆ１）の温度特性よ
   り該水晶基板（２）の温度を検出して該温度補償回路（
   ＴＣ）を制御することにより該第１発振回路（ＯＳ２）
   の該主振動姿態の周波数（Ｆ２）を温度補償するように
   したことを特徴とする周波数温度補償水晶発振器。 ２）水晶振動子と発振回路と温度補償回路とを接続して
   なる周波数温度補償水晶発振器において、該水晶振動子
   の水晶基板（１）の表裏板面上に１つの励振電極対（５
   ）を配設し、該励振電極対（５）に該温度補償回路（Ｔ
   Ｃ）と第１発振回路（ＯＳ２）とを接続して主振動姿態
   を発振させ、かつ該励振電極対（５）に低域濾波回路（
   ＦＩＬ）と第２発振回路（ＯＳ１）とを接続して該主振
   動姿態と同時に副振動姿態を発振させ、該主振動姿態の
   周波数（Ｆ２）と該副振動姿態の周波数（Ｆ１）とをそ
   れぞれ分離し、該副振動姿態の周波数（Ｆ１）の温度特
   性より該水晶基板の温度を検出して該温度補償回路（Ｔ
   Ｃ）を制御することにより該第１発振回路（ＯＳ２）の
   該主振動姿態の周波数（Ｆ２）を温度補償するようにし
   たことを特徴とする周波数温度補償水晶発振器。