振荡装置、振荡元件以及电子设备 |
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| 申请号 | CN201310178845.5 | 申请日 | 2013-05-15 | 公开(公告)号 | CN103427765B | 公开(公告)日 | 2017-09-05 |
| 申请人 | 精工爱普生株式会社; | 发明人 | 德桥元弘; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供既能够提高 频率 稳定度又不会降低制造效率的小型且廉价的振荡装置、振荡元件以及 电子 设备。该振荡装置包括： 温度 补偿型 振荡器 （2），其在包含第1温度范围的一部分在内的温度补偿范围内补偿频率温度特性；以及 温度控制 电路 （5），其具有加热器（6），利用上述加热器（6）进行如下控制：使上述温度补偿型振荡器（2）的 石英 振子（3）的温度处于上述温度补偿范围包含的第2温度范围内。此外，上述温度补偿型振荡器（2）还可以使上述第1温度范围中的可通过一次近似进行补偿的一部分包含在上述温度补偿范围内。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种振荡装置，其包含： |
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| 说明书全文 | 振荡装置、振荡元件以及电子设备技术领域[0001] 本发明涉及振荡装置、振荡元件以及电子设备等。 背景技术[0002] 温度补偿型石英振荡器（TCXO：Temperature Compensated X’tal Oscillator）通过在预定的温度范围内抵消石英振子振荡频率相对于期望频率（公称频率）的偏差（频率偏差）来获得较高的频率稳定度。例如，一般的TCXO的频率稳定度是±200ppb左右（使用温度范围：-20℃～+70℃）。 [0003] 一般地，采用频率温度特性如图12（A）所示那样近似为3次函数的AT切石英振子作为TCXO，但各个AT切石英振子的该3次函数不同。因此，在TCXO的特性检查中，需要求出4点以上的温度与振荡频率的关系，计算用于对石英振动的频率温度特性进行温度补偿的信息（温度补偿信息）。 [0006] 作为频率稳定度比TCXO良好的振荡装置，存在具备恒温槽的OCXO（Oven Controlled Crystal Oscillator：恒温晶体振荡器）。但是，因为具有恒温槽及其温度控制电路，所以存在比TCXO昂贵且大型的缺点。 [0008] 专利文献1：日本特开2010-124348号公报 [0009] 但是，即使在专利文献1的方法中也是相对于温度变化在内部产生图12（B）所示的温度补偿电压，使输出的振荡信号的频率温度特性平滑。因此，在制造时需要这样的作业：求出根据各个AT切石英振子而不同的高次函数，进行调整以正好抵消例如极大值或极小值。此时，需要求出4点以上的温度和振荡频率的关系，从而使制造的效率降低。 [0010] 另外，在专利文献1的方法中，利用盖来封闭基座而形成的封闭空间作为模拟恒温室发挥作用（以下，这种封闭空间的模拟恒温室也称为恒温室）。此时，需要以与OCXO一样高的精度（例如±1℃）使恒温室保持为预定的温度。但是，在组装TCXO和其它电路而构成的专利文献1的振荡装置中容易产生个体的偏差。因此，为了将恒温室的温度调整为目标温度，需要温度控制电路的调整作业，为了使恒温室的温度处于例如±1℃的较小范围内，不得不进行非常耗费工夫的调整作业。 [0011] 如以上那样，在专利文献1的方法中，出厂前的调整作业耗费工夫，从而导致制造效率降低，结果，成本很有可能上升。 发明内容[0012] 本发明是鉴于以上的问题点而完成的。根据本发明的几个方式，可提供既能够提高频率稳定度又不会降低制造效率的小型且廉价的振荡装置。 [0013] 本发明是为了解决上述课题的至少一部分而完成的，可作为以下的方式或应用例来实现。 [0014] [应用例1] [0015] 本应用例的振荡装置包含：温度补偿型振荡器，其具有振荡元件，在包含第1温度范围的一部分在内的温度补偿范围内对频率温度特性进行补偿；以及温度控制电路，其将所述振荡元件的温度控制在所述温度补偿范围中包含的第2温度范围内。 [0016] [应用例2] [0017] 在上述应用例的振荡装置中，也可以是，所述温度补偿型振荡器使所述第1温度范围中的可通过一次近似进行补偿的一部分包含在所述温度补偿范围内。 [0018] [应用例3] [0019] 在上述应用例的振荡装置中，也可以是，所述温度补偿型振荡器将所述温度补偿范围设为包含所述第1温度范围的上限温度在内的高温侧的一部分。 [0021] 温度补偿型振荡器在使用温度范围、即应得到使用时的作为温度补偿型振荡器的期待特性的第1温度范围的“一部分”中进行温度补偿。即，不需要求出关于整个使用温度范围的高次函数来进行补偿，所以在制造时，例如能够减轻进行调整来正好抵消极大值或极小值的作业的劳力。 [0022] 例如，使用温度范围中的可通过一次近似进行补偿的一部分可以是温度补偿范围。此时，只要求出2点的温度与振荡频率的关系即可，调整变得容易。因此，能够提高制造的效率。另外，因为通过一次近似进行补偿，所以能够提高温度补偿范围中的频率稳定度。作为可通过一次近似进行补偿的使用温度范围的一部分，例如可举出上限温度附近或下限温度附近（参照图12（A））。 [0023] 并且，温度控制电路利用温度调节元件进行使温度补偿型振荡器的振荡元件的温度处于温度补偿范围包含的第2温度范围内的控制。即，将包含振荡元件的恒温室的温度保持在第2温度范围内。温度调节元件可以是例如发热的发热元件（以下，设为加热器），也可以是珀耳帖（Peltier）元件等。 [0024] 利用温度控制电路的控制，使振荡元件的温度包含于温度补偿型振荡器的温度补偿范围内。因此，可提供提高频率稳定度的振荡装置。此时，不像OCXO那样使用恒温槽，因此振荡装置小型且廉价。 [0025] 另外，温度补偿型振荡器可以使温度补偿范围成为包含使用温度范围的上限温度在内的高温侧的一部分。此时，不仅能够通过一次近似进行补偿，还可以采用加热器作为温度调节元件，所以能够抑制成本。例如，还可以利用1个功率晶体管来实现加热器。 [0026] [应用例4] [0027] 在上述应用例的振荡装置中，也可以是，温度控制电路包含温度传感器，该温度传感器测定所述振荡元件的温度，所述温度控制电路以如下方式规定所述第2温度范围：使所述第2温度范围的下限温度与所述温度补偿范围的下限温度之差的大小、以及所述温度补偿范围的上限温度与所述第2温度范围的上限温度之差的大小大于所述温度传感器的测定值与所述振荡元件的实际温度之差的大小。 [0028] [应用例5] [0029] 在上述应用例的振荡装置中，也可以是，所述温度控制电路具有对振荡元件进行加热的发热元件。 [0030] 这些应用例的振荡装置包含测定振荡元件的温度的温度传感器。该温度传感器并非位于温度补偿型振荡器的内部，所以在测定温度中含有误差。但是，根据这些应用例的振荡装置，可设定第2温度范围，使其具有大于该误差的余量，从而即使存在误差，该恒温室的温度也必然包含于温度补偿范围内。因此，能够提供提高频率稳定度的振荡装置。另外，如果采用加热器作为发热元件来调整恒温室的温度，则能够抑制成本。 [0031] [应用例6] [0032] 上述应用例述的振荡装置中，所述振荡元件可以是振子。 [0033] [应用例7] [0035] 图1是示出本实施方式的振荡装置的结构例的图。 [0036] 图2是示出本实施方式的TCXO的结构例的图。 [0037] 图3是示出本实施方式的石英振子的频率稳定度的例子的图。 [0038] 图4是示出本实施方式的TCXO的温度补偿的例子的图。 [0039] 图5是示出本实施方式的温度控制电路的例子的电路图。 [0040] 图6是示出本实施方式的TCXO与加热器的位置关系的例子的图。 [0041] 图7中的（A）是示出本实施方式的TCXO与加热器的位置关系的例子的示意剖面图，图7中的（B）是示出变形例中的TCXO与加热器的位置关系的例子的示意剖面图。 [0042] 图8中的（A）、（B）是示出不加工印制基板的情况下的其它变形例中的TCXO与加热器的位置关系的例子的示意剖面图。 [0043] 图9是示出本实施方式的恒温室的温度范围与温度补偿范围的关系的例子的图。 [0044] 图10是示出本实施方式的振荡装置的制造方法的流程图。 [0045] 图11是应用例的电子设备的功能框图。 [0046] 图12中的（A）是示出石英振子的频率温度特性的一例的图，图12中的（B）是示出温度补偿电压的频率变化的一例的图。 [0047] 标号说明 [0048] 1振荡装置；3石英振子；4集成电路；5温度控制电路；6加热器；7温度传感器；9端子；11NTC热敏电阻；12调节器；14印制基板；15盖；16封装；18恒温室；20差动放大器；30功率晶体管；31功率晶体管；32可变电容元件；34电压控制振荡电路；36温度补偿电压发生电路；38温度传感器；40电阻；41电阻；42电阻；43电阻；44电阻；45电阻；46电阻；47电阻；48电阻； 50电容器；51电容器；52电容器；53电容器；300电子设备；330操作部；360通信部；370显示部；380声音输出部。 具体实施方式[0050] 1.振荡装置的整体结构 [0051] 图1是示出本实施方式的振荡装置1的结构的图。振荡装置1包含TCXO2和温度控制电路5。TCXO2包含石英振子3和集成电路4。另外，温度控制电路5包含加热器6和温度传感器7。 [0052] 这里，图1中的TCXO2、石英振子3、加热器6分别与本发明的温度补偿型振荡器、振荡元件、温度调节元件对应。 [0053] TCXO2在包含使用温度范围的一部分在内的温度补偿范围内对频率温度特性进行补偿。例如，在本实施方式中，使用温度范围是-20℃～+85℃。TCXO2在仅包含该使用温度范围的一部分（例如+70℃～+85℃）在内的温度补偿范围（+70℃～100℃）内对频率温度特性进行补偿。 [0054] 如后所述，集成电路4（IC）不仅包含温度补偿电路，还包含与石英振子3连接的振荡电路，并且进行了单片化。 [0055] 温度控制电路5利用加热器6的热量来调整TCXO2的温度。具体地说，进行控制以保持后述的恒温室18（参照图7（A））的温度。此时，恒温室18的温度处于温度补偿范围包含的某固定范围内。 [0056] 温度传感器7配置在石英振子3的附近而测定温度。并且，温度控制电路5根据温度传感器7的测定温度来控制加热器6的发热。此外，在本实施方式中，加热器6是作为发热元件的功率晶体管30（参照图5）。另外，温度传感器7是NTC热敏电阻11（参照图5）。 [0057] 2.TCXO的结构 [0058] 图2是示出本实施方式的TCXO2的结构的图。如图2所示，在本实施方式中，集成电路4构成为包含电压控制振荡电路34、温度补偿电压发生电路36、温度传感器38。 [0059] 电压控制振荡电路34经由端子与石英振子3连接，根据来自温度补偿电压发生电路36的控制电压使可变电容元件32的电容值发生变化，由此控制石英振子3的振荡频率。电压控制振荡电路34的振荡信号经由端子（未图示）向外部输出。 [0060] 温度补偿电压发生电路36根据来自温度传感器38的输出值（例如，电压值）产生控制电压。这里，温度传感器38与图1的温度传感器7不同，和石英振子3一起存在于TCXO2的内部。因此，与温度传感器7相比，可准确地测定石英振子3的温度。 [0061] 这里，当不考虑温度补偿时，石英振子3的频率稳定度如图3所示。图3中的频率稳定度表示以25℃时的频率为基准的波动。如图3所示，在使用温度范围的上限温度即85℃附近，频率稳定度的变化可进行线形近似。即，可进行一次函数的近似而不是高次函数（参照图12（B））。因此，如果以使用温度范围的上限温度即85℃为基准仅对±15℃（即，70℃～100℃）的范围（图3的P）进行温度补偿，则可通过线形近似来进行高精度的补偿。 [0062] 图4表示关于本实施方式的TCXO2的温度补偿后的输出的频率稳定度。如图4那样，在85℃±15℃的范围内变得平滑，表现出良好的频率稳定性。即，只要是在85℃±15℃的范围内使用本实施方式的TCXO2，就能够获得和OCXO一样的频率稳定度。 [0063] 因此，在本实施方式的振荡装置1中，温度控制电路5进行温度控制，使包含石英振子3的恒温室18（参照图7（A））的温度处于85℃±15℃的范围内。以下，详细说明温度控制电路5。 [0064] 3.温度控制电路 [0065] 图5是本实施方式的温度控制电路5的电路图。在图5的温度控制电路5中，功率晶体管30对应于加热器6，NTC热敏电阻11对应于温度传感器7。 [0066] 从外部对图5的上侧端子9提供电源电位Vcc。另外，图5的下侧端子9接地，被提供接地电位GND。另外，由调节器12生成基准电位Vref。 [0067] 在基准电位Vref与接地电位GND之间连接交流噪声去除用的电容器52，在电源电位Vcc与接地电位GND之间连接交流噪声去除用的电容器53、54。另外，从端子9向差动放大器20提供电源电位Vcc、接地电位GND。 [0068] NTC热敏电阻11的第1端子与基准电位Vref连接，第2端子与电阻40的第1端子、电阻43的第1端子以及电容器50的第1端子连接，电阻40的第2端子与接地电位GND连接。电阻43的第2端子与差动放大器20的反相输入端子（-输入端子）、电阻44的第1端子连接。电阻44的第2端子与差动放大器20的输出端子以及电阻45的第1端子连接，电容器50的第2端子与接地电位GND连接。 [0069] 电阻41的第1端子与基准电位Vref连接，第2端子与差动放大器20的同相输入端子（+输入端子）以及电阻42的第1端子连接。电阻42的第2端子与接地电位GND连接。 [0070] 电阻45的第2端子与功率晶体管30的集电极端子、功率晶体管31的基极端子、电容器51的第1端子以及电阻48的第1端子连接，电容器51的第2端子以及电阻48的第2端子与接地电位GND连接。 [0071] 功率晶体管31的集电极端子与电源电位Vcc连接，发射极端子与功率晶体管30的基极端子、电阻46的第1端子以及电阻47的第1端子连接。功率晶体管30的发射极端子、电阻46的第2端子以及电阻47的第2端子与接地电位GND连接。 [0072] 功率晶体管30（发热元件的一例）是NPN型的双极晶体管，其靠近被加热物而配置，利用散热对被加热物进行加热。因此，在本实施方式中作为加热器6发挥作用。发热量根据流过功率晶体管30的电流量而变化。 [0073] NTC热敏电阻11根据作为测定对象的被加热物的温度而改变电阻值。具体地说，电阻相对于被加热物的温度上升而减小。因此，在本实施方式中NTC热敏电阻作为温度传感器7发挥作用。 [0074] 并且，本实施方式的温度控制电路5可通过差动放大器20根据NTC热敏电阻11的电阻值来控制功率晶体管30的发热量。 [0075] 当被加热物的温度低于设定温度时，一边根据NTC热敏电阻11的电阻值控制功率晶体管30的发热量一边对被加热物进行加热。具体地说，当被加热物的温度与设定温度一致时，NTC热敏电阻11的电阻值成为预定值，电阻43的第1端子的电位与差动放大器20的同相输入端子（+输入端子）的电位一致。因此，当被加热物的温度低于设定温度时，NTC热敏电阻11的电阻值高于预定值，所以电阻43的第1端子的电位低于差动放大器20的同相输入端子（+输入端子）的电位。因此，差动放大器20的输出电位变高，功率晶体管30导通而进行发热。 [0076] 被加热物通过功率晶体管30进行加热，当被加热物的温度上升时，NTC热敏电阻11的电阻值降低，所以电阻43的第1端子的电位上升。与此相对，差动放大器20的同相输入端子（+输入端子）的电位几乎没有变化。因此，差动放大器20的同相输入端子（+输入端子）与电阻43的第1端子之间的电位差变小。由此，差动放大器20的输出电位降低，所以功率晶体管30的发热量减少。并且，当被加热物的温度高于设定温度时，功率晶体管30截止，停止被加热物的加热。 [0077] 4.振荡装置的外观 [0078] 这里，对本实施方式的振荡装置1的外观进行说明。所谓外观，具体是指TCXO2、加热器6、温度传感器7的位置关系。图6是表示具有本实施方式的TCXO2的端子9的面的示意仰视图。如图6所示，加热器6与TCXO2的封装面（端子9以外的部分）相接。因此，能够高效地向TCXO2传递热量。 [0079] 图7中的（A）是表示本实施方式的TCXO2、加热器6（即图5的功率晶体管30）、温度传感器7（即图5的NTC热敏电阻11）、印制基板14（例如，玻璃环氧基板等）的位置关系的示意剖面图（关于图7中的（B）～图8中的（B）也是相同的）。此外，关于加热器6、温度传感器7之间的布线或其它电路，省略图示。 [0080] 如图7中的（A）那样，在本实施方式的振荡装置1中，印制基板14在端子9之间的部分进行了开孔的加工，例如通过粘接剂等在TCXO2的封装16上安装加热器6。 [0081] TCXO2在封装16的内部安装石英振子3和集成电路4，利用盖15进行密封。因此，内部的封闭空间作为模拟的恒温室18发挥作用，能够使温度保持恒定。在本实施方式的振荡装置1中，加热器6对TCXO2加热，使恒温室18的温度处于温度补偿范围包含的预定温度范围内。此时，如利用图4所说明的那样，能够获得和OCXO一样的频率稳定度。 [0082] 这里，为了适当控制加热器6，需要温度传感器7测定石英振子3的环境温度即恒温室18的温度（与图5的说明中的被加热物的温度对应）。在本实施方式中，温度传感器7配置在TCXO2附近的印制基板14上。根据温度传感器7的测定值来控制加热器6。 [0083] 虽然温度传感器7测定恒温室18的温度，但不是配置在TCXO2的内部而是外部，所以在测定值与实际的恒温室18的温度之间产生误差。因此，优选使由加热器6设定的恒温室18的温度范围相对于TCXO2的温度补偿范围减小与误差相应的量。即，优选具有大于误差的余量。 [0084] 图9是示出恒温室18的温度范围（应设定的温度范围）与TCXO2的温度补偿范围的关系的图。在图9的例子中考虑到温度传感器7的误差，相对于TCXO2的温度补偿范围具有5℃的余量而设定恒温室18的温度范围。因此，即使误差例如是-5℃，恒温室的温度也是TCXO2的温度补偿范围内，因此能够获得期望的频率稳定度。 [0085] 这里，图7中的（B）、图8中的（A）、图8中的（B）分别表示关于TCXO2、加热器6、温度传感器7的位置关系的变形例。在图7中的（B）的例子中，与图7（A）相比，温度传感器7的位置不同。在图7中的（B）的例子中，在TCXO2的封装16上不仅安装加热器6，还通过例如粘接剂等安装温度传感器7。因此，有可能可更准确地测定恒温室18的温度。 [0086] 图8中的（A）、图8中的（B）表示不对印制基板14进行加工的情况下的配置例。图8中的（A）的例子与图7（B）中的例子不同，端子9具有足够的高度。因此，即使不在印制基板14上开孔，也能够在封装16的底面安装加热器6、温度传感器7。 [0087] 在图8中的（B）的例子中，将无法安装到封装16底面的加热器6安装在盖15上。在此情况下，加热器6也能够有效地向TCXO2传热。此外，温度传感器7与本实施方式同样地配置在TCXO2附近的印制基板14上。 [0088] 无论是图7中的（A）～图8中的（B）所示的哪种外观，只要利用加热器6使恒温室18的温度处于预定的范围内（考虑到温度传感器7的误差而相对于温度补偿范围减小误差后的温度范围内），就能够获得与OCXO一样的频率稳定度。 [0089] 5.振荡装置的制造方法 [0090] 图10是示出本实施方式的振荡装置1的制造方法的流程图。首先，以使用温度范围的上限温度即85℃为基准在±15℃的范围内进行温度补偿（S10）。此时，能够以例如在85℃的温度下形成作为目标的频率稳定度（例如±100ppb以内）的方式进行线形近似。 [0091] 接着，进行TCXO和温度控制电路的组装（S20）。然后，利用调整电阻（与图5的电阻40～42对应）进行调整，以使得恒温室的设定温度包含在预定的温度范围内（S30）。 [0093] 例如，如果是OCXO，则需要使恒温室的设定温度成为目标（例如85℃）温度的±1℃以内。因此，在调整中要花费工夫，使得制造的效率降低。 [0094] 但是，在本实施方式的振荡装置1的制造方法中，当使用图9的例子时，即使考虑到温度传感器7的误差，只要使恒温室的温度处于85℃±10℃的范围内即可。因此，几乎不需要进行调整，使得制造的效率提高。 [0095] 如上所述，本实施方式的振荡装置1通过采用线形近似来进行高精度的补偿，从而提高TCXO的频率稳定度，并且几乎不需要关于恒温室设定温度的调整，所以不会降低制造的效率，不像OCXO那样需要恒温槽，所以能够提高小型且廉价的振荡装置。 [0096] 6.电子设备 [0097] 图11是应用例的电子设备300的功能框图。本应用例的电子设备300的结构为包含振荡装置1、CPU（Central Processing Unit：中央处理单元）320、操作部330、ROM（Read Only Memory：只读存储器）340、RAM（Random Access Memory：随机存取存储器）350、通信部360、显示部370、声音输出部380。此外，本应用例的电子设备300可省略或变更图11的构成要素（各部）的一部分，或者可采用附加有其它构成要素的结构。 [0098] 如上述实施方式所说明的那样，振荡装置1可输出高精度的振荡信号（时钟信号）。 [0099] CPU320按照存储在ROM340等中的程序，采用振荡装置1所输出的振荡信号（时钟信号）进行各种计算处理、控制处理。具体地说，CPU320进行与来自操作部330的操作信号对应的各种处理、为了与外部进行数据通信而控制通信部360的处理、向显示部370发送用于显示各种信息的显示信号的处理、使声音输出部380输出各种声音的处理等。 [0101] ROM340存储有用于供CPU320进行各种计算处理、控制处理的程序、数据等。 [0102] RAM350被用作CPU320的作业区域，其临时存储从ROM340读出的程序、数据、从操作部330输入的数据、CPU320按照各种程序执行的运算结果等。 [0103] 通信部360进行用于建立CPU320与外部装置之间的数据通信的各种控制。 [0104] 显示部370是由LCD（Liquid Crystal Display：液晶显示器）等构成的显示装置，根据从CPU320输入的显示信号来显示各种信息。 [0105] 声音输出部380是扬声器等输出声音的装置。 [0106] 根据本实施方式的电子设备300，可利用振荡装置1获得与OCXO一样的高精度的时钟信号。因此，可考虑将本发明应用于毫微微蜂窝这样的小通话区域用的小型基站、覆盖大范围的便携电话的基站、分辨率高的测量器等电子设备300。 [0107] 7.其它 [0108] 本发明不限于上述实施方式，在本发明的主旨范围内可进行各种变形实施。 [0109] 在上述实施方式中，作为振荡装置包含的振荡器，以温度补偿型石英振荡器（TCXO）为例进行了说明，但本发明的振荡器不限于此，例如可以是压电振荡器、SAW振荡器、压控型振荡器、硅振荡器、原子振荡器等。 [0110] 另外，在本实施方式中采用石英振子作为振荡器的振荡元件，但例如还可以采用SAW（Surface Acoustic Wave：表面声波）谐振器、AT切石英振子、SC切石英振子、音叉型石英振子、其它压电振子或MEMS（Micro Electro Mechanical Systems：微电子机械系统）振子等作为振荡元件。另外，作为振荡元件的基板材料，可采用石英、钽酸锂、铌酸锂等压电单结晶、锆钛酸铅等的压电陶瓷等压电材料、或硅半导体材料等。另外，作为振荡元件的激励单元，可采用基于压电效应的单元，或者可采用基于库仑力的静电驱动。 [0111] 上述实施方式以及变形例仅为一例，并不限于此。例如，还可以适当组合各实施方式以及各变形例。 [0112] 本发明包含与在实施方式中说明的结构实质性相同的结构（例如，功能、方法以及结果相同的结构或者目的以及效果相同的结构）。另外，本发明包含对在实施方式中说明的结构的非本质部分进行置换后的结构。另外，本发明包含能起到与在实施方式中说明的结构同一作用效果的结构或能够达成同一目的的结构。另外，本发明包含对在实施方式中说明的结构附加公知技术后的结构。 |
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