JPH0516202B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、同時に２つの発振周波数で発振する
ことが可能な発振回路に（特開昭57−87211号公
報参照）関する。

本発明の目的は、２つの振動モードを有する水
晶振動子の製造に際して、該水晶振動子の有する
２つの周波数を同時に検出して周波数の調整及び
周波数温度特性の調整を能率良く行うための発振
器を提供することにある。

今日、水晶腕時計の時間標準となる水晶振動子
は32KHzの周波数を有した音叉型水晶振動子が広
く使用されている。しかしながらこの音叉型水晶
振動子のもつ周波数温度特性が上に凸の２次関数
であり、周囲温度の変化により月当り15〜20秒、
１年間には30秒〜２分に至る時刻誤差を生じては
なはだ不具合であつた。この時間精度に関する不
具合点を改善する種々の試みが今日までになされ
ており、その一部方法はすでに製品として実用化
されている。その中で、水晶振動子自体の周波数
温度特性を改善する方法は他の水晶腕時計機能と
複合して腕時計を構成する場合に極めてシンプル
なシステムが構成でき最善と考えられて来た。最
近になつて、該水晶振動子はTM（ツインモード）
水晶振動子として実用化されるに至つた。該TM
水晶振動子はケース寸法がφ2×６mm又はφ1.5×
５mmの小サイズであり、振動片形状は音叉形状で
ある。しかしながら当水晶振動子が従来の32KHz
の音叉型水晶振動子と異なる点は、１個の音叉型
水晶片の有する２つの振動モードの結合によつて
生ずる２種類の結合振動モードの一方を使用して
いることにある。該２種の振動モードは屈曲振動
と捩り振動であり、両者のもつ固有共振周波数
₁，₂の差Δ＝₁−₂の大きさにより屈曲振動の
共振周波数₁の有する周波数温度特性を変化させ
て優れた３次特性を実現することができる。水晶
振動子の周波数温度特性を調整により作り込む方
法は、該特性値として０〜40℃間で約±2ppM程
度を要する年差腕時計（年間精度誤差10秒以内）
の量産方式として適したものである。製造工程中
に調整工程を設けない場合の同上特性値の作り込
みはカツトアンプル、外形寸法のバラツキにより
極端に小さな歩留となり量産化不可能となる。前
記周波数₁と₂調整は水晶片の先端部の電極膜を
レーザ加工機で除去することにより独立に行なわ
れる。当該作業を効率的に行うために、周波数₁
とΔ＝₁−₂を同時に検出する発振回路がすで
に考案されている。第１図に該発振回路のブロツ
ク構成図を示す。第１図発振回路は調整により大
巾に変動する₁，₂を無調整で発振させることが
可能である点に特徴がある。第１図中の各部位の
名称は、１０，１１…増巾器、１２…振幅変調
器、１３…TM水晶振動子等の結合モード振動
子、１４…水晶振動子の負荷容量、１５…包絡線
検波器、１６，１７…バツフア増巾器、１８，１
９…出力端子である。該発振回路は増巾器１０、
振幅変調器１２、水晶振動子１３、負荷容量１４
の閉ループ（１０，１２，１４が帰還回路に相
当）が前記₁の発振回路を形成し、又１１，１
２，１３，１４，１５の閉ループ（１１，１２，
１４，１５が帰還回路に相当）でΔの発振回路
を形成している。１３の水晶振動子のもつ２つの
周波数成分の一方₂は振幅変調器１２の振幅変調
操操作で発生する。

即ち、₂＝（₁±Δの一方）で与えられる。但
しTM水晶振動子の場合には₂＝₁−Δの関係が
ある。発振時に於る水晶振動子１３の等価回路は
第２図で与えられる。図中L₁，C₁，R₁で構成す
る直列枝路が屈曲振動モードを、L₂，C₂，R₂で
示される直列枝路が捩り振動モードの等価回路で
ある。水晶ケースで10^-5Torrの真空封士された
TM水晶振動子の完成品のもつ直列共振抵抗R₁及
びR₂の値は約R₁＝２〜6KΩ、R₂＝20〜60KΩで
あるが、実際に前述の₁，₂の調製作業はレーザ
加工時に発生する水晶片の発熱を防止するために
大気中で行なわれる必要があり、結果として大気
中でのR₁，R₂の値はR₁＝40〜120KΩ，R₂＝
400KΩ〜1.2MΩと大巾に増大する。調整作業に
必要とされる発振器は当該条件で安定な発振周波
数を維持できるものでなくてはならず、この様な
発振回路は現在までに実現されていない。本発明
はかかる極めてきびしい条件でも安定に動作する
発振回路を提供するもので、以下にその構成及び
動作の詳細を説明する。

第３図に本発明になる発振回路の回路図を示
す。まず同図回路の構成をブロツクに分けて説明
する。図中、３００は振幅変調器、３１１，３１
２，３１３，３１４は増幅器、３２０，３２１は
出力段の増幅器、３３０は水晶振動子を含む受動
回路、３４０は包絡線検波器、３５０は位相とゲ
インの補償回路の各ブロツクを構成している。さ
らに各ブロツクの構成を説明すると、振幅変調器
３００は６個のトランジスタを１チツプ内に構成
したミキサーICを使用し₁及びΔの入力信号の
大きさと増幅率を外付抵抗の値を適切に設定して
変調度と被変調波のゲインを調整する。電解コン
デンサ３０１は数ＫHzの周波数をもつΔf信号を
平滑しトランジスタの直流動作点を決定する。コ
ンデンサ３０２も同様の役目をはたす。振動子を
発振させ₁とΔ＝（f₁−f₂）を取り出す場合を考
える。

Model（₁） ₁は第１図の１０，１２，１３，１４のような
ループで発振する（振幅変調器も増幅器として捉
えることができる）。発振器の水晶振動子の両端
での発振信号の位相差の設定方法は、振動子の両
端の位相差が同相の場合と逆相の場合が考えられ
る。 Mode2（₂） ₂は第１図の１１，１２，１３，１４，１５の
ようなループで発振する。Mode2は変調後₂、検
波後Δに変わるという点と、₁無しには存在し
得ないという点の特徴がある。またΔの他に₁
＋Δというモードが存在するが水晶振動子通過
の際減衰する。₁と同様に₂に関しても水晶振動
子の前後で、位相差の設定が２通り選択できる。

以上のように位相条件については、₁，₂それ
ぞれに同位逆相のパターンがあり４通り設定で
き、その差成分であるΔと₁との組み合わせも
４通り考えられる。

従つて、該振幅変調器の動作原理は₁とΔ信
号の位相が相互に反転した４種類の信号を重畳し
て振幅変調波を合成する。次に３１２で代表され
るオペアンプを用いた増幅器は全て非反転増幅器
を形成する。ボリユーム３６８はオフセツト調整
用であり、抵抗３６９，３７０の比が増幅器の増
幅率を決めている。受動回路３３０は当該発振回
路の発振周波数を決定する部分で、抵抗３３２は
水晶振動子の動作電流を設定する他第５図に於て
後述する機能をはたす。コンデンサ３３３は水晶
振動子の負荷容量として発振周波数を決定する。
水晶振動子と次段増幅器の（＋）入力端子に接続
する抵抗３６７の値Ｒは３３３のコンデンサの容
量値Ｃと次の関係が必要である。

Ｒ＞＞１／2π₁C (1) (1)は水晶振動子の負荷インピーダンスを容量性
に保つために必要である。３２０，３２１は各々
₁，Δ信号の出力増幅器を構成しており、特に
説明を要しない。検波回路３４０は水晶振動子で
フイルタされた後、増幅した振幅変調波を包絡線
検波してΔ信号を作り出す、３４０の次に接続
する補償回路３５０は水晶振動子の製造時に発生
するΔ周波数バラツキをおおう様な帯域フイル
タを構成し、Δが他の回路要因で自走発振する
のを防いでいる。第３図回路中の他の素子の役割
は、３６１，３６２，３６３，３７１，３７２は
結合コンデンサ、３６４，３６５，３６６はゲイ
ン調整用ボリユームである。

回路の発振条件は、ループの利得が１以上であ
ることと、ループを１周したときの位相が一致
（帰還された信号が位相反転していないこと）す
ることである。位相条件を満足する位相の設定の
仕方は、振動子、増幅系（帰還回路）どちらでも
位相が回転しない同相系と、振動子、増幅系それ
ぞれで位相が反転し結果的に位相が一致する逆相
系を選択することができる（帰還回路を振動子の
出力を再び振動子に入力する系とする）。

ところが同相系を選択すると、振動子のＱが低
い場合には振動子以外の周波数で発振してしま
う。₂がそれに相当し、しかもCI値（等価抵抗）
が大きく、ゲインを十分に得ることができない。
そのため非共振周波数の振動子の前後での位相差
は12゜しか確保できず、ノイズか何かにより他の
周波数が選択され発振する可能性がある。従つて
₂については、同相系のループは使用できない。

₁については、同相系、逆相系どちらも発振す
ることが可能となるが、同相系を選択すると、増
幅器により増幅されたパルス波形（高調波を含
む）が振動子に入力されるため、発振波形が歪ん
でしまう。逆相系を選択すると、振動子内で位相
が回転し、高調波の影響はなくなり、きれいな発
振波形が得られる。従つて前述した４種類の位相
の組み合わせの内から、₁逆相、₂逆相という組
み合わせを選択する。どちらも逆相となるので、
その差成分であるΔは同相となる。この様な位
相条件を設定することにより、大気中でＲが大き
くなつたとしても、振動子のＱが大きいため発振
が開始される。

次に第３図発振回路の発振時に於る各部位の信
号波形を第６図で説明する。第６図中は第３図
部位の電圧波形である。又は同様に対応する
部位の電圧波形である。と信号の位相関係は
₁周波数に関してはほぼ180゜の位相差があり（第
６図信号３と４の関係）、Δについてはほぼ同相
である。Δについては第３図中３４０中のダイ
オードの向きを考慮して上側の包絡線６０と６１
を比較する必要がある。しかしながら第３図発振
回路のΔが水晶振動子の両周波数で決るΔ＝₁
−₂以外の周波数に対しては、部位に得られる
水晶振動子を通過した信号波形は′となり、
６０と６２の位相差はほぼ180゜となる。この際に
は、発振回路の発振は立上がらない。

又この事実が、水晶振動子を有する₁，₂の固
有周波数を選択的に発振させるカギとなつてい
る。ちなみに、この事実に基づき第３図発振回路
は受動回路３３０に対して₁系ループの増幅系は
全体として反転増幅器として、Δ系のループの
増幅系は全体として非反転増幅器の構成をとる。
第６図中の包絡線波形６１と６２の位相差は大き
い程₁，₂の周波数の選択性に優れるため、すで
に述べた受動回路の抵抗３３２を第５図の様に配
置するのが効果的である。図中、５１は第３図構
成の発振回路であり、抵抗３３２と周波数調整を
要する水晶振動子３３１を５２の２心のシールド
線で外に引き出している。心線とGNDの間には
当然ながら寄生容量５６が形成されるが、抵抗３
３２は水晶振動子から発振回路側を見た際に抵抗
のインピーダンスで寄生容量５６を打ち消すこと
になる。従つて第３図側の容量は無視可能であ
る。

次に３３０の構成の受動回路が何故第６図の位
相関係を発生するかについて考察する。第７図に
その理由を説明した。同図ａは同受動回路が示す
入出力電圧のゲイン特性、ｂはその位相特性を示
す。７０１，７０２が屈曲振動の示す伝達特性で
あり、７１１，７１２は捩り振動の示す同特性で
ある。周波数₁r，₂rは各々屈曲、捩り振動の示
す直列共振周波数に相当し、又₁p，₂pは各々屈
曲、捩り振動の示す反共振周波数に相当する周波
数変化率を示す点である。横軸Δ／＝０の点は屈 曲振動、捩り振動の水晶振動子のみの場合の固有
直列共振周波数に相当する。位相特性はΔ／の増 大につれて非共振（容量性）、直列共振（純抵
抗）、誘導性共振、反共振（純抵抗）、非共振（容
量性）の状態を順に通る。第３図発振回路の発振
時、即ち₁，Δ＝₁−₂の状態の動作点は第７図
p₁，p₂の点となる。一方Δ≠₁−₂の発振立上り
前状態に於ては₁としてp₁点が₂として例えばp₃
の容量性領域の点が対応し、第６図，′の位
相関係の説明が可能となる。最後に第４図は本発
明になる第３図発振回路を用いて得られる水晶振
動子の周波数温度特性の調整経過を示す図であ
る。横軸Δ、縦軸は20〜40℃間の周波数温度特
性をppM（×₁₀ ^-6）表示で示した。曲線４０の矢
印の方向が調整の進行する方向であり、Δp＝０
の点が調整上りとなる。

以上詳細に説明した通り本発明になる発振回路
は極めて水晶振動子のインピーダンスが高い場合
にも安定して発振することができ、安定した２モ
ードの発振回路を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は２つの振動モードを有する水晶振動子
の両周波数を同時に発振させることが可能な従来
の発振回路の構成を示す図。第２図は第１図発振
回路の対象となる水晶振動子の等価回路を示す
図。第３図は本発明になる発振回路を示す回路
図。第４図は第３図の発振回路を用いて調整した
水晶振動子の周波数温度特性Δp対差周波数Δ特
性の推移を示す。第５図は第３図発振回路を用い
て水晶振動子の周波数を検出する場合の具体的配
置を示す図である。第６図は第３図発振回路の動
作信号波形を示す図である。第７図ａ，ｂは第６
図動作波形の現象を説明するための伝達特性を示
す図である。 １３，３３１…２振動モードを有する水晶振動
子、１２，３００…振幅変調器、１４，３３３…
水晶振動子負荷容量。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１及び第２の振動モードを有する水晶振動
   子と、 前記第１の振動モードによる第１の周波数の信
   号を増幅し前記水晶振動子に帰還する第１の帰還
   回路と、 前記第１の周波数の信号と前記第２の振動モー
   ドによる第２の周波数の信号との差成分である第
   ３の周波数の信号で前記第１の周波数の信号を振
   幅変調する振幅変調器と前記振幅変調器の出力を
   包絡線検波する検波器とを有し前記検波器の出力
   を前記水晶振動子に帰還する第２の帰還回路とを
   備えた発振回路において、 前記第１の帰還回路は入力に対し位相差を180゜
   有する信号を出力するよう構成され、 前記第２の帰還回路は入力に対し同相の信号を
   出力するよう構成されたことを特徴とする発振回
   路。