JPH0468903A - 温度検知機能を有する発振器および水晶発振素子並びに温度検出方法 - 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） 本発明は温度検知機能を有する水晶発振器および水晶振
動子およびこのような水晶振動子を利用した温度検出方
法に関するものである。

（従来の技術） 一般に、水晶振動子の発振周波数を安定化する方法には
大別して２つの方法がある。その１つは、水晶振動子そ
のものの温度を一定に維持する方法であり、このような
方法で発振周波数を安定化した発振器は温度制御発振器
と呼ばれている。第２の方法は、周囲温度を検出し、そ
れに応じて水晶振動子の負荷容量を変化させる方法であ
り、この方法を採用した発振器は温度補償発振器と呼ば
れている。第１の温度制御発振器においては、水晶振動
子を恒温槽に入れて温度を所定の温度に保つようにして
いる。水晶振動子の振動周波数の温度特性は切断角度を
適当に選べば６０〜７０°Ｃにおいてもっとも平坦にす
ることができるので、動作温度をこのような温度範囲に
取るようにしているのが普通である。この場合、恒温槽
には加熱用のヒータだけを設け、冷却素子は設けていな
い。恒温槽の温度を、通常サーミスタで測定し、基準温
度からのずれを検出し、その差に応じて恒温槽の温度を
制御するようにしている。また、温度補償発振器におい
ては、周囲温度をサーミスタ等の温度検知素子で検出し
、この検出した温度と基準温度との差に応じて発振器の
負荷容量を変化させて発振信号の周波数を安定化するよ
うにしている。

（発明が解決しようとする課題） 上述した従来の温度制御発振器においては、感温素子と
してサーミスタを利用しているが、このサーミスタと水
晶振動子とは材質は勿論、形状や寸法が異なるので、周
囲温度が変化した場合の水晶振動子の温度変化とサーミ
スタの温度変化とは相違し、サーミスタで測定した温度
に基づいて水晶振動子の温度を一定に保つことは非常に
困難である。すなわち、サニミスタで検出した温度が基
準温度に等しくなるように恒温槽の温度を制御しても水
晶振動子の温度は基準温度とはならず、発振周波数が所
望の周波数から変動してしまう欠点がある。このような
欠点を解消するためには、水晶振動子とサーミスタとの
相互配置位置や構造を工夫して水晶振動子とサーミスタ
とが同じ温度となるようにする必要があるが、このよう
な工夫にも限度があり、水晶振動子の温度を精密に所定
の温度に維持することは非常に困難であった。

特殊なカットの水晶振動子では発振周波数が温度変化１
℃当たり数ｐｐｍの割合で変化するので、この周波数の
変化を利用して水晶振動子の温度を検出し、検出した温
度に基づいて発振周波数を制御することが提案されてい
る。しかしながら、この場合の周波数の変化はきわめて
僅かであるから、これを精度良く検出することは困難で
あるので、実用化はされていない。

また、温度補償発振器においても、温度検知素子として
サーミスタを用いる場合には温度制御発振器におけるの
と同様の問題がある。

本発明の目的は、上述した従来の水晶発振器の欠点を解
消し、発振周波数を精密に所定の周波数とすることがで
きる水晶発振器および水晶振動子を提供するとともにこ
のような水晶振動子を用いた非常に感度および精度の高
い温度検出方法を提供しようとするものである。

（課題を解決するための手段および作用）本発明の温度
検知機能を有する水晶発振器は、基本波および０次オー
バートーンで振動する少なくとも１個の水晶振動子を有
する発振手段と、前記水晶振動子の０次オーバートーン
振動の周波数と、基本波振動の周波数のｎ倍の周波数と
の差の周波数または基本波振動の周波数と０次オーバー
トーン振動の周波数の１　／　ｎの周波数との差の周波
数を検出する手段と、この周波数の差に基づいて水晶振
動子の温度を検出する手段と、基本波振動および０次オ
ーバートーン振動の少なくとも一方を発振信号として出
力する手段とを具えることを特徴とするものである。

さらに、本発明の自己温度検知機能を有する水高振動子
は、１枚の水晶基板の表裏に２組の電極を形成し、一方
を０次オーバートーンで振動させ、他方を基本波で発振
させるように構成したことを特徴とするものである。

本発明による水晶振動子は、さらに１枚の水晶基板の表
裏に３組の電極を形成し、その内の２組の電極で温度検
知素子を構成し、残る１組の電極から発振される振動を
出力するように構成したことを特徴とするものである。

また、本発明による温度検出方法は、検出すべき温度雰
囲気中にある水晶振動子の１次オーバートーン振動の周
波数と基本波振動のｎ倍の周波数との周波数差または基
本波振動の周波数と１次オーバートーン振動の周波数の
１／ｎの周波数との周波数差を検出し、この検出した差
の周波数に基づいて温度を検出することを特徴とするも
のである。

上述した本発明は、基本波振動とオーバートーン振動の
周波数の差は温度に応じて比較的大きく変化すると云う
事実を利用して、この周波数差を求めることにより温度
を正確に検出することができると云う認識に基づいて成
したものである。本発明の水晶発振器の一実施例におい
ては、２個の水晶振動子を同じ温度環境の中で動作させ
、一方の水晶振動子を基本波で振動させ、他方の水晶振
動子を、例えば３倍オーバートーンで振動させ、基本波
の振動周波数を３倍した信号と３倍オーバートーンの信
号との周波数の差を求め、この差周波数から温度を検出
し、この検出した温度に基づいて両水晶振動子の温度を
制御することによって発振周波数をきわめて正確に所定
の値とすることができる。この場合、出力信号は、基本
波振動および３倍オーバートーン振動の何れを用いても
よいし、場合によっては両者の振動を出力として利用す
ることもできる。また、温度制御は水晶振動子を恒温槽
に入れ、この恒温槽の温度を制御したり負荷容量を制御
すれば良い。さらに、信号処理を容易とするために、基
準温度における両信号の周波数差を数ＫＨｚから数百Ｋ
Ｈｚの値に設定するのが好適である。

また、本発明の水晶振動子においては、−枚の水晶板に
２組または３組の電極を設け、基本波およびそのオーバ
ートーンで振動させ、これらの周波数の差に基づいて温
度を検出し、この検出した温度で水晶振動子の温度を制
御したり負荷容量を制御する。この場合には基本波また
はオーバートーンまたは３組の電極を設ける場合には第
３の電極での振動を出力信号として利用することができ
る。

さらに、本発明による温度検出方法では、上述したよう
に同一温度条件下にある２つの水晶振動子または同じ水
晶板に設けた２組の電極の発振周波数の差に基づいて温
度を検出するようにしたものであるが、基本波振動の周
波数の温度特性と１次オーバートーン振動の周波数の温
度特性との差は大きいから、温度を高精度および高感度
で検出することができる。

（実施例） 第１図は本発明による温度検出機能を有する水晶発振器
の全体の構成を示す線図である。基本波で振動する第１
の水晶振動子１と、基本波周波数のｎ倍の周波数の０次
オーバートーンで振動する第２の水晶振動子２とを設け
、これらの水晶振動子を同一の温度条件下で動作させる
。本例では、０次オーバートーンを基本波振動周波数の
３倍の３次オーバートーンとするとともにこれら第１お
よび第２の水晶振動子１および２を共通の恒温槽３の中
に配置する。第１の水晶振動子Ｉから発生される基本波
振動信号および第２の水晶振動子２から発生される３次
オーバートーン振動信号をそれぞれプリアンプ４および
５で増幅する。プリアンプ４から出力される基本波振動
信号を周波数逓倍回路６に供給して周波数を３倍する。

この周波数を３倍した信号をプリアンプ５の出力信号と
ともに周波数差検出回路７に供給してこれら両信号の周
波数差を検出する。この周波数差を表す信号をアンプ８
で増幅した後、温度制御回路９に供給する。本発明にお
いては、この周波数差は水晶振動子１および２の温度を
表すものであるから、温度制御回路９においてはこのよ
うにして検出した温度を予め設定した基準温度と比較し
て温度差を検出し、この温度差に応じて恒温槽３の温度
を制御するようにする。すなわち、温度制御回路９を含
む制御ループを構成して恒温槽３内に配置された第１お
よび第２の水晶振動子ｌおよび２の温度を制御するよう
に構成する。また、プリアンプ４から出力される基本波
振動信号を出力アンプｌＯで増幅して、出力端子１１に
供給する。このようにして、出力端子１１から周波数が
周囲温度の変化に拘らず安定した信号を利用装置に供給
することができる。

水晶振動子の振動周波数の温度特性は、水晶振動子のカ
ットの角度、振動のモード、発振の次数および負荷容量
によって異なるが、それらの条件を決めれば一義的に定
まることは周知である。例えば、最も一般的に使用され
ているＡＴカットで、厚みすべり振動する水晶振動子の
基本波振動と３次オーバートーン振動の振動周波数の温
度特性は第２図のようになることが知られている。第２
図のグラフは、１９８９年に総合技術出版から発行され
た「エレクトロニクス　テクノロジ　シリーズＪＮｏ、
７．振動子・共振器・フィルタ最新技術の第１２６頁に
記載されているものであり、基本波振動も３次オーバー
トーンも２５℃における振動数【。を基準とし、温度が
変化したときの周波数ｆとの差の変化率を示したもので
ある。すなわち、ｆ−Ｌ／ｆｏの温度に対する変化を示
したものである。

第１図に示すように、基本波振動の周波数の温度変化率
は温度変化ｉ℃当たり約０．５ｐｐｍであり、３次オー
バートーン振動においても温度変化１　’Ｃ当たりの振
動周波数の変化率は高々ｌ　ｐｐｍのオーダーである。

したがって、水晶振動子の振動の周波数の温度特性が所
定の水晶振動子については一義的に定まるとは言え、こ
の周波数そのものの変化を検出して温度を検出すること
は理論上は可能であるが、実際には非常に困難である。

すなわち、温度変化率力ｑ℃当たり１　ｐｐｍとすると
、基本波周波数１０ＭＨｚに対してｏ、ｉ℃当たりＩＨ
２の周波数変化を検出する必要があるが、このように僅
かな周波数の変化を高精度で検出することは実際上困難
である。

本発明においては、第２図に示されるように、基本波振
動の周波数の温度特性と、３次オーバートーン振動の周
波数の温度特性とが著しく相違することに着目し、基本
波振動の周波数を３倍したものと３次オーバートーン振
動の周波数との差を求めることによって水晶振動子の温
度を高精度および高感度で検出するものである。例えば
基準温度を２５℃とすると、第２図から明らかなように
周波数差を零とすることができる。この場合、水晶振動
子を基本波で振動させるか３次オーバートーンで振動さ
せるかは、水晶振動子に接続する発振回路で設定するこ
とができ、後述するように本願人の出願にかかる特開昭
６２−２３０１０８号公報に記載されているように同じ
水晶振動子を基本波振動および３次オーバートーン振動
で選択的に発振させることもできる。

理論上は、水晶振動子の温度が基準温度に等しいときの
基本波振動の周波数の３倍の周波数と３次オーバートー
ン振動の周波数の差を零とすることができるが、実際に
はこのようにすると差の周波数はきわめて低いものとな
るが、このようにきわめて低い差の周波数を高精度で測
定するための増幅や逓倍その他の信号処理、特にＤ／Ａ
変換が不可能になるかまたはきわめて困難になる。一般
に、このような信号処理に適した周波数は数ＫＨｚから
数百ＫＨｚである。したがって、着目している周波数差
が数ＫＨｚから数百ＫＨｚとなるようにすれば信号処理
は容易となり、・差の周波数をきわめて高い精度で測定
することができる。このように温度が基準温度のときに
差の周波数が数ＫＨｚから数百ＫＨｚとなるようにする
には、水晶振動子の厚みを極く僅か変化させたり水晶振
動板に設ける電極の厚みを若干変化させることによって
制御することができる。

上述しに本発明による水晶発振器の実施例においては、
第１および第２の水晶振動子１および２を、ＡＴカット
で、カット角度がＹ軸から３５°１４’水晶板の厚みが
０．１６ｍｍで、基本波振動の周波数が１０ＭＨｚで、
基準温度における周波数差ΔＦが約２０Ｋｆ（ｚとなる
ようにしである。このような水晶振動子を用いたときの
基準温度２５℃における基本波振動の周波数の３倍の周
波数と３次オーバートーン振動の周波数との差ΔＦの温
度による変化分Δｆの関係を次表に示す。

この表において、Δｆ（計算）とは基本波振動の周波数
を測定し、その３倍の周波数と３倍オーバートーン振動
の実測周波数との差からΔＦを減算した値を計算によっ
て求めたものであり、−Δｆ（実測）とは、周波数差検
出回路７で検出される周波数差からΔＦを減算した実測
値を示すものである。この表から明らかなように、本例
においては基準温度である２５℃における基本波振動の
周波数の３倍と３次オーバートーン振動の周波数との差
ΔＦが２４．６１６１（ｚと狙いにした２０ＫＨ２に近
く、またこの周波数差の温度に対する変化分Δｆの計算
値と実測値とは非常に良く一致している。そして重要な
ことは、温度変化と周波数の差の変化分△ｆを表す第３
図のグラフに示すように基準温度における基本波振動の
周波数の３倍と３次オーバートーン振動の周波数との差
の周波数ΔＦである約２４ＫＨｚに対して、２５°Ｃよ
りも低い温度では周波数差の変化分の温度特性は１７．
６Ｈｚ／　’Ｃ１２５℃よりも高い温度では２０．６ｔ
（ｚ／　’Ｃであり、その変化率は７００〜８００ｐｐ
ｍときわめで大きいことである。

上述したように、本発明においては水晶振動子の基本波
振動の温度特性と、０次オーバートーン振動の温度特性
との相違に着目し、基準温度における基本波振動のｎ倍
の周波数と、０次オーバートーン振動の周波数との差が
増幅、逓倍、ＤＡ変換などの信号処理に都合の良い数Ｋ
Ｈ２〜数百ＫＨｚの周波数となるように設定することに
より温度を高精度および高感度で検出することができ、
この検出した温度と基準温度との差に応じて水晶振動子
の温度を制御することにより水晶振動子から得られる振
動周波数を所定の一定値に安定化することができる。ま
た、上述した実施例では基本波振動の周波数を３倍にし
て３次オーバートーン振動の周波数との差を求めるよう
にしたが、３次オーバートーン振動の周波数をｌ／３シ
たものと基本波振動の周波数とを比較することもできる
。このように０次オーバートーン振動の周波数を１／ｎ
シたり、基本波周波数をｎ倍とすることは当該分野にお
いて周知の技術であり、その詳細な説明は省略する。

上述した周波数差の変化分Δｆは、周波数差ΔＦの値に
よらずほぼ一定となる。したがって、ΔＦを例えば、ｌ
　ＫＨｚとするとΔｆの温度係数は、１０、０００ｐｐ
ｍと大きくなるが、例えば６０℃におけるΔＦは１，０
（１−７０１″、　３００となって信号処理がしにくく
なる。また、基準温度における周波数差ΔＦをＩＭＨ２
とすれば、温度係数はｌＯｐｐｍ程度に小さくなり、測
定感度が低下することになる。

第４図は本発明の水晶発振器の他の構成例を示すもので
ある。第４図Ａに示す例では、３個の水晶振動子２１．
２２および２３を共通の恒温槽２４内に配置して温度が
等しくなるようにする。第１の水晶振動子２Ｉを基本波
で振動させ、第２の水晶振動子２２を３次オーバートー
ンで振動させ、これら第１および第２の水晶振動子２１
および２２の振動信号から温度検出回路２５において水
晶振動子の温度を検出し、この検出した温度に基づいて
温度制御回路２６を介して恒温槽２４の温度制御を行う
。このように温度制御した恒温槽２４の中に入れた第３
の水晶振動子２３の振動信号を出力アンプ２７で増幅し
て出力端子２８に供給する。

第４図Ｂに示す例では共通の恒温槽２４に入れた第１お
よび第２の水晶振動子２１および２２の振動信号を温度
検出回路２５に供給して温度を検出し、第３の水晶振動
子２３の振動信号を負荷容量制御回路２９に供給して負
荷容量を変化させる。第４図ＡおよびＢに示した水晶発
振器においても出力端子２８から周波数が周囲温度の変
化に拘らず安定に維持された信号を利用装置に供給する
ことができる。

第５図は本発明による温度検知機能を有する水晶振動子
の一例を示すものである。本例においては、−枚の水晶
基板３Ｉの表裏に２組の電極を形成し、一方の組の電極
３２．３３で基本波振動を発生させ、他方の組の電極３
４．３５で３次オーバートーン振動を発生させるように
構成する。水晶基板３１の表面に形成した電極３２およ
び３４はそれぞれリード線３Ｇおよび３９を経て端子盤
３７に固定したピン３８および４０に接続し、裏面に形
成した電極３３および３４は相互接続するとともにリー
ド線４１を介してピン４２に接続する。このように−枚
の水晶基板３１に２組の電極を設けて、相互に干渉する
ことなく異なる周波数で振動させることは、水晶基板に
電極の面積を十分小さくするとか電極組の中間の水晶基
板に機械的な加工や化学的なエツチングによって溝を形
成することによって容易に達成できる。また、第６図に
示すように、本願人の出願にかかる特開昭６２−２３０
１０８号公報に記載されている手段を講することもでき
る。すなわち、この第６図の実施例では、３次オーバー
トーン振動を発生する電極３４．３５を設けた水晶基板
３１の部分の角を斜めに切り欠いたものである。さらに
、水晶振動子に接続される発振回路に周波数選択特性を
持たせることによっても異なる周波数で振動させること
ができる。

第４図および第５図に示した水晶振動子を用いて発振器
を構成する場合には、上述したように基本波振動の周波
数を３倍した信号の周波数と３次オーバートーン振動の
周波数との差を求めて温度を検出し、この検出した温度
に応じて恒温槽の温度を制御したり負荷容量を制御する
ことによって実現できる。この場合、利用装置の供給す
る信号としては、基本波振動、３次オーバートーン振動
またはそれらの両方とすることができる。また、上述し
た水晶振動子を用いて温度を検出することも勿論可能で
ある。

第７図は本発明による水晶振動子のさらに他の実施例を
示すものである。本例では一枚の水晶基板５１の表裏に
３組の電極５２，５３　：５４，５５：５６，５７を形
成し、第１の組の電極５２．５３で基本波振動を発生さ
せ、第２の組の電極５４．５５で３次オーバートーン振
動を発生させ、これらの基本波振動および３次オーバー
トーン振動の周波数の差から温度を検出し、この検出し
た温度に基づいて水晶振動子を入れた恒温槽の温度を制
御し、第３の組の電極５６゜５７で所望の周波数の振動
を発生させ、これを別装置に供給することができる。こ
のようにして、利用装置に供給する振動の周波数を温度
検出用の振動の周波数に対して独立に設定することがで
きる。

また、第１および第２の組の電極で発生される振動の周
波数の差から検出した温度に基づいて第３の組の電極で
発生される振動に対する負荷容量を変化させることによ
っても利用装置に供給する振動の周波数を一定に保つこ
とができる。

本発明は上述した実施例だけに限定されるものではなく
、幾多の変更や変形が可能である。例えば、上述した温
度制御発振器の実施例では、水晶振動子を恒温槽に入れ
、この恒温槽の温度を検出した温度に応じて制御するよ
うにしたが、通常水晶振動子の動作温度は、冷却機能を
有しない温度制御の場合、指定された使用温度より高い
温度に設定するので、６０〜７０℃の温度に水晶振動子
の温度を設定する方法がよく採用されている。このよう
に基準温度が常温よりも高い場合には、水晶基板に、例
えば蒸着法によってニクロム線ヒータを形成し、このヒ
ータへの通電を検出した温度に応じて制御するように構
成することもできる。この場合には、温度検知機能だけ
でなく温度制御機能をも有する水晶振動子を得ることが
できる。

（発明の効果） 上述したように、本発明によれば水晶振動子の温度を、
水晶振動子の基本波振動および０次オーバートーン振動
の周波数の温度特性の差を利用して検出するようにした
ため、別個の温度検出素子が必要でなく、熱伝導の遅れ
や熱容量の違いによる温度検出素子と信号発振素子との
温度差がまったく生ずることがなくなり、したがって温
度を高精度で検出することができる。また、差周波数の
温度依存性は大きいので高感度で温度を検出することが
できる。さらに、−枚の水晶基板に複数組の電極を形成
した実施例では、水晶基板の異なる周波数で振動する部
分の温度を容易に同一の温度とすることができ、全体の
構成を簡単とすることができる。さらに、基準温度にお
ける差周波数を増幅、逓倍、ＡＤ変換などの信号処理を
容易に行うことができる適当な周波数に設定することに
よって差周波数をきわめて高い精度で測定することがで
き、温度測定の精度を上げることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による水晶発振器の一例の構成を示す図
、 第２図はＡＴカット水晶板の基本波振動と３次オーバー
トーン振動の周波数温度特性を示すグラフ、第３図は基
本波振動の周波数の３倍の周波数と３次オーバートーン
振動の周波数の差の温度による変動を示すグラフ、 第４図ＡおよびＢは本発明による水晶発振器の他の例の
構成を示す図、 第５図は一枚の水晶基板に２組の電極を形成上本発明！
；よる水晶振動子の一実施例の構成を示す図、 第６図は同じく他の実施例の構成を示す図、第７図は一
枚の水晶基板に３組の電極を形成したさらに他の実施例
の構成を示す図である。 １・・・基本波の水晶振動子 ２・・・３次オーバートーンの水晶振動子３・・・恒温
槽 ６・・・周波数逓倍回路 ７・・・周波数差検出回路 ９・・・温度制御回路 ２１、２２．２３・・・水晶振動子 ２４・・・恒温槽 ２５・・・周波数差検出回路 ２６・・・温度制御回路 ２７・・・出力アンプ ２９・・・負荷容量制御回路 ３１・・・水晶基板 ３２、３３．３４．３５・・・電極 ３６、３９．４１・・・リード線 ３８、４０．４２・・・ピン ５１・・・水晶基板 ５２〜５７・・・電極 第１図 第２図 第４図 ラユ危Ｃ’Ｃ） 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基本波およびｎ次オーバートーンで振動する少なく
   とも１個の水晶振動子を有する発振手段と、前記水晶振
   動子のｎ次オーバートーン振動の周波数と、基本波振動
   の周波数のｎ倍の周波数との差の周波数または基本波振
   動の周波数とｎ次オーバートーン振動の周波数の１／ｎ
   の周波数との差の周波数を検出する手段と、この周波数
   の差に基づいて水晶振動子の温度を検出する手段と、基
   本波振動およびｎ次オーバートーン振動の少なくとも一
   方を発振信号として出力する手段とを具えることを特徴
   とする温度検知機能を有する発振器。 ２、前記周波数の差に基づいて検出した温度と基準温度
   との差に応じて水晶振動子の温度を制御する手段を具え
   ることを特徴とする請求項１記載の温度検知機能を有す
   る発振器。３、前記周波数の差に基づいて検出した温度
   と基準温度との差に応じて水晶振動子の負荷容量を制御
   する手段を具えることを特徴とする請求項１記載の温度
   検知機能を有する発振器。 ４、１枚の水晶基板の表裏に２組の電極を形成し、一方
   をｎ次オーバートーンで振動させ、他方を基本波で発振
   させるように構成したことを特徴とする自己温度検知機
   能を有する水晶振動子。 ５、１枚の水晶基板の表裏に３組の電極を形成し、その
   内の２組の電極で温度検知素子を構成し、残る１組の電
   極から発振される振動を出力するように構成したことを
   特徴とする自己温度検知機能を有する水晶振動子。 ６、検出すべき温度雰囲気中にある水晶振動子のｎ次オ
   ーバートーン振動の周波数と基本波振動のｎ倍の周波数
   との周波数差または基本波振動の周波数とｎ次オーバー
   トーン振動の周波数の１／ｎの周波数との周波数差を検
   出し、この検出した差の周波数に基づいて温度を検出す
   ることを特徴とする温度検出方法。