JPS59132209A - 発振回路 - 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】 本発明は、同時に２つの発振周波数で発振することが可
能な発振回路に関する。

本発明の目的は、２つの駆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器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には３２
　ＫＨ２の周波数を有した音叉型水晶振動子が広く使用
されて込る。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次関数であシ、周囲温度の
変化によシ月当シ１５〜２０秒、１年間に、は３０秒〜
２分に至る部側誤差を生じてはなはだ不具合であった。

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シ、その一部方法はすでに製品と
して実用化されて込る。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。

最近になって、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った。該７Ｍ水晶振動
子はケース寸法がφ２×６關又はφ１．５×５藺の小サ
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
モードの結合によって生ずる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
屈曲振動と捩シ振動であ夛、両者のもつ固有共振周波数
ｆ１．ｆ２の差△ｆ＝ｆ１　／２の大きさによシ屈曲振
動の共振周波数ｆｌ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ｆｆ：調整によυ作り込む方法は、該
特性値として０〜４０℃間で約±２　ｐｐＭ程度を要す
る年差腕時計（年間精度誤差１（１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
夛込みはカットアンプル、外形寸法のバラツキによシ極
端に小さな歩留とな、！ｌｌｌ量産化不可能となる。前
記周波数１１とｆ２調整は水晶片の先端部の電極膜をレ
ーザ加工機で除却することによシ独立に行なわれる。当
該作業を効率的に行うために、周波数ｆ１と△ｆ＝ｆｓ
ｆ２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ック構成図を示す。第１図
発振回路は調整により大巾に変動するｆｘ、ｆｚ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　、　ＩＩ・・・増巾
器、１２・・・振幅変調器、１３・・・７Ｍ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・・・バッ
ファ増巾器、１８　、１９・・・出力端子である。該発
振回路は増巾器ｌ（へ振幅変調器１２、水晶振動子１３
、負荷容量１４の閉ループが前記ｆ１の発振回路を形成
し、又Ｉｔ　、　１２　、１３　、１４　、１５の閉ル
ープで△ｆ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ｆ２は振幅変調器１２
の振幅変調操作で発生する。

即ち、ｆｚ＝Ｃｆｘ±△ｆの三方）で与えられる。但し
７Ｍ水晶振動子の場合にはｆ２＝ｆ１−Δｆの関係があ
る。発振時に於ろ水晶振動子１３０等価回路は第２図で
与えられる。図中Ｌ１＊　Ｃ１ｐ　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フ振動モードの等価回路である。水
晶ケースで川−’ＴＯ？’ｒの真空封士された７Ｍ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＝２〜６にΩ、Ｒ，＝２０〜６０和であるが、実
際に前述のｆｌ、　ｆ２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
る必要があシ、結果として大気中でのＲ１＃Ｒ２の値は
Ｒ１−４０〜１２０にΩｐ　Ｒ２＝　４０　ＯＫΩ〜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ックに分けて説明する。

図中、３００・・振幅変調器、　３１１　、３１２　、
３１８　。

３１４・・増幅器、　３２０　、３２１・・出力段の増
幅器、３３０・・水晶振動子を含む受動回路、　３４０
−φ包絡線検波器、３５０・・位相、ゲイン補償回路の
各ブロックを構成している。さらに各ブロックの構成を
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ｆｌ及び△
ｆ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ＫＨｇの周波数をもつ△ｆ倍信号平
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。該振幅変調器の動作原理
はｆｌと△ｆ倍信号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。ボリューム３６８はオフセット調整用であシ、
抵抗３６９　、３７０の比が増幅器の増幅器を決めてい
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ＲＩ′１３３３のコンデンサの容
量値Ｃと次の関係が必要である。

Ｒ＞、）−Ｈη箇　　　　　　（１１ １１１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ｆｘ、△
ｆ倍信号出力増幅器を構成しておシ、特に説明を要しな
い。検波回路３４０は水晶振動子でフィルタされた後、
増−した振副変調波を包線検波して△ｆ倍信号作シ出す
、３４００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△ｆの周波数バラツキをおおう様な帯
域フィルタを構成し、△ｆが他の回路要因で自走発振す
るのを防すでいる。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
用ボリュームである。

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図の部位の電圧波
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１１周波数に関してはほば１
８０００位相差があシ（第６図信号３と４の関係）、△
ｆについてはを１に同相である。△ｆについては第３図
３４０中のダイオードの向きを考慮して上側の包絡線６
０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△ｆが水晶振動子の画周波数で決る△ｆ＝ｆｌ
　ｆｚ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■となシ、６０と６２の
位相差はＩ’ｔ？？ｉ′ｘｓｏ°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、水晶振動子の有するＪ’ｌ、、７”＋１
の固有周波数を選択的に発振させるカギとなっている。

ちなみに、との事実にもとすき第３図発振回路は受動回
路３３０に対してｆＸ系ループの増幅系は全体として反
転増幅器として、△ｆ系ルーズ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ｆｒ、ｆｚ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
図溝成の発振回路であシ、抵抗３３２と周波数調整を用
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３３２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を杓ち消すことになる。従って第３図■側の容量は
無視可能である。

次に３３０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（α）は同受動回路が示す入出力電圧のゲイン
特性、（ｂｌ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シ、７
１１　、７１２は捩シ振動の示す同特性である。周波数
ｆ　ｘｒｔ　ｆ２ｒは各々屈曲、捩シ振動の示す直列共
振周波数に相当し、又ｆ　１　ｐｒ　７２　世各々屈曲
、捩シ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ｑ＝　０の点は屈曲振動、捩）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。位相特性はりも増大につれて非共振し容量性）、
直列共振（純抵抗）、銹導性共振、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ｆｘ、△ｆ＝ｆｘ、−ｆ２の状態の動作点
は第７図ｐｔ　　ｙｐ２の点となる。一方Δｆ＼ｆ１τ
ｆ２の発振立上シ前状態に於てはｆｌとして２１点がｆ
２として例えばｐ３の容量性領域の点が対応し、第６図
■、■１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
は△ｆ１縦軸はΔ）〜４０℃間の周波数温度特性を７３
’ＰＭ（Ｘｔｏ　−’　）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シ、△ｐ＝０の点が
調整上シとなる。

以上詳細に説明した通シ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、ＴＭ水晶振動子等の優れた振動子を
能率良く製造することができ今後多大のメリットが期待
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画周波
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
振動子の等何回路を示す図。 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△ｐ対差周波数△ｆ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ｆα１（
ｂｌは第６回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・・・振幅ゴ器 １４　、３３３・・・水晶１子負荷容量以　　　上 出願人　株に社諏訪精工舎 代理人　弁：最　上　　務 第４図 ＼ 第５図 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ２つの振動モードを一つの水晶片内に有する水晶振動子
   の２振動モードを同時に発振させるととが可能な発振回
   路に於て、該発振器１−１：２つの発振周波数ｆｃと△
   ｆの帰環ループを持ち、ｆｃを△ｆで振幅変調する振幅
   変調器としてトランジスタ６個で構成したバランスドミ
   キサーで、各帰環ループの増巾器としてオペアンプで、
   包絡線検波器としてダイオードとダイオードに部列に配
   置して並列に接続された抵抗とコンデンサで、△ｆ倍信
   号位相とゲインを補償する補償回路を抵抗とコンデンサ
   で構成し、さらに発振周波数を決定する水晶振動子を含
   む受動回路を抵抗、水晶振動子、コンデンサをシリーズ
   に配置した構成を取ったことを特徴とする発振回路。