JP7838298B2 - 発振器 - Google Patents

Description

本発明は、発振器に関する。

従来、温度変化による発振周波数の変動を抑制する機能を有するＯＣＸＯ（恒温槽付水晶発振器）が知られている。例えば、特許文献１には、感温素子から出力された温度検出信号をデジタル信号に変換し、当該デジタル信号に基づいてデジタル信号処理回路が温度制御素子を制御する発振器が開示されている。

特開２０２０－１６１９２２号公報

従来技術においては、故障により温度制御素子に対する制御が適正ではなくなった場合、温度制御素子が過度に発熱してしまうなどの異常が発生し得る。また、故障原因には複数の原因が考えられる。従来技術には、このような異常を検知する方法が開示されていない。

上記課題を解決するための発振器は、振動素子と、前記振動素子を発振させ、クロック信号を生成する発振回路と、第１温度センサーと、前記クロック信号に基づいて動作し、前記第１温度センサーにより検出された温度に基づいて制御信号を出力するデジタル制御回路と、前記制御信号に基づいて、制御電圧を出力する温度制御回路と、前記制御電圧に基づいて、前記振動素子の温度を制御する温度制御素子と、第２温度センサーと、アナログ回路で構成され、前記第２温度センサーにより検出された温度を監視する第２温度センサー監視回路と、を備え、前記デジタル制御回路は、前記第１温度センサーにより検出された温度を監視し、温度の異常を検出した場合に、前記温度制御回路による前記温度制御素子への前記制御電圧の供給を停止させ、前記第２温度センサー監視回路は、前記第２温度センサーの温度の異常を検出した場合に、前記温度制御回路による前記温度制御素子への前記制御電圧の供給を停止させる。

第１実施形態の発振器の機能ブロック図。 第１実施形態の発振器の要部を示す機能ブロック図。 温度制御回路を示す図。 制御信号および制御電圧の波形の一例を示す図。 クロック信号の異常の検出に関連する信号のタイミングチャート。 クロック信号異常検出回路を示す図。 第１温度センサーによる異常の検出に関連する信号のタイミングチャート。 第２温度センサー監視回路を示す図。 第２温度センサーによる異常の検出に関連する信号のタイミングチャート。 第２実施形態の発振器の要部を示す機能ブロック図。 第３実施形態の発振器の要部を示す機能ブロック図。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係る発振器１は、水晶振動子を有するＯＣＸＯ（恒温槽付水晶発振器）である。図１は、本実施形態に係る発振器１の機能ブロック図である。本実施形態にかかる発振器１は、内部に収容空間が設けられた図示しない筐体内に形成される。発振器１は、振動素子２、集積回路３、温度制御素子４、第１温度センサー５を備える。

振動素子２は、ＳＣカットの水晶振動子である。振動素子２は、ＳＣカットに限らず、例えば、ＡＴカットあるいはＢＴカットの水晶振動子、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）共振子などを用いることができる。また、振動素子２として、例えば、水晶振動子以外の圧電振動子やＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）振動子などを用いることもできる。本実施形態において、振動素子２は、図示しない筐体に収容されている。集積回路３は、各種の回路が集積されて形成されるチップ素子である。

温度制御素子４は、振動素子２の温度を調整する素子であり、パワートランジスター等の発熱素子である。本実施形態において、温度制御素子４は、振動素子２を収容する筐体に接続されている。温度制御素子４が発生させる熱は、集積回路３から供給される制御電圧ＶＨＣに応じて制御される。本実施形態においては、温度制御素子４が発生させる熱によって振動素子２を加熱し、振動素子２の温度をほぼ一定に保つ。振動素子２の温度をほぼ一定に保つことで、周波数安定度を向上させることができる。

第１温度センサー５は、温度を検出し、検出した温度に応じた電圧レベルを有する第１の温度検出信号ＶＴ１を出力する。第１温度センサー５から出力される第１の温度検出信号ＶＴ１は、集積回路３に供給される。すなわち、第１温度センサー５は、集積回路３の外部に存在し、図示しない配線によって第１温度センサー５と集積回路３とが電気的に接続されている。本実施形態において第１温度センサー５は、振動素子２の周囲の温度を検出する。本実施形態において、第１温度センサー５は、振動素子２を収容する筐体に接するように配置されている。第１温度センサー５としては、例えば、サーミスターや白金抵抗などを用いることができる。

集積回路３は、デジタル制御回路２１０、温度制御回路２２０、発振回路２３０、フラクショナルＮ－ＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路２３１（図１においてはＦＮ－ＰＬＬ回路２３１と表記）、分周回路２３２、出力バッファー２３３、第２温度センサー２４１、セレクター２４２、アナログ／デジタル変換回路２４３（図１においてはＡＤＣと表記）、インターフェース回路２５０、記憶部２６０及びレギュレーター２７０、クロック信号異常検出回路３００、第２温度センサー監視回路３１０を含む。

発振回路２３０は、振動素子２の両端と電気的に接続されており、振動素子２の出力信号を増幅して振動素子２にフィードバックすることにより、振動素子２を発振させ、発振信号を出力する回路である。例えば、発振回路２３０は、増幅素子としてインバーターを用いた発振用回路であってもよいし、増幅素子としてバイポーラトランジスターを用いた発振用回路であってもよい。

フラクショナルＮ－ＰＬＬ回路２３１は、発振回路２３０から出力される発振信号の周波数を、デルタシグマ変調された分周比制御信号ＤＩＶＣによって指示される分周比に応じた周波数に変換する。分周回路２３２は、フラクショナルＮ－ＰＬＬ回路２３１から出力される発振信号を分周する。出力バッファー２３３は、分周回路２３２から出力される発振信号をバッファリングし、発振信号ＣＫＯとして集積回路３の外部に出力する。この発振信号ＣＫＯは、発振器１の出力信号となる。

第２温度センサー２４１は、温度を検出し、検出した温度に応じた電圧レベルを有する第２の温度検出信号ＶＴ２を出力する。例えば、第２温度センサー２４１はダイオード等で実現可能である。第２温度センサー２４１は、集積回路３内に形成されている。

集積回路３は、図示しない基板に電気的に接続され、当該基板に対して電気的に接続された配線を介して振動素子２と電気的に接続される。本実施形態において、集積回路３は、振動素子２の近傍に配置されるが、集積回路３が実装された基板は、振動素子２の筐体と接していない。従って、第２温度センサー２４１は、第１温度センサー５よりも振動素子２や温度制御素子４から離れた位置に設けられている。そのため、第２温度センサー２４１は、振動素子２や温度制御素子４から離れた位置の温度を検出することになる。したがって、発振器１の外気温度が所定の範囲で変化した場合、温度制御素子４の近傍に設けられている第１温度センサー５が検出する温度はほとんど変化しないのに対して、第２温度センサー２４１が検出する温度は所定の範囲で変化する。

セレクター２４２は、第２温度センサー２４１から出力される第２の温度検出信号ＶＴ２及び第１温度センサー５から出力される第１の温度検出信号ＶＴ１のいずれか１つを選択して出力する。本実施形態では、セレクター２４２は、第２の温度検出信号ＶＴ２及び第１の温度検出信号ＶＴ１を時分割に選択して出力する。

アナログ／デジタル変換回路２４３は、セレクター２４２から時分割に出力されるアナログ信号である第２の温度検出信号ＶＴ２及び第１の温度検出信号ＶＴ１を、それぞれデジタル信号である第２の温度コードＤＴ２及び第１の温度コードＤＴ１に変換する。アナログ／デジタル変換回路２４３は、第２の温度検出信号ＶＴ２及び第１の温度検出信号ＶＴ１を抵抗分圧等によって電圧レベルを変換した後に、第２の温度コードＤＴ２及び第１の温度コードＤＴ１に変換してもよい。

デジタル制御回路２１０は、第１温度センサー５により検出された温度に基づいて制御信号ＤＨＣを出力する。本実施形態において、デジタル制御回路２１０は、第１温度センサー５により検出された温度を示す第１の温度コードＤＴ１と、第２温度センサー２４１により検出された温度を示す第２の温度コードＤＴ２と、に基づいて、温度制御素子４を制御する制御信号ＤＨＣを生成する。デジタル制御回路２１０は、さらに振動素子２の目標温度情報に基づいて、制御信号ＤＨＣを生成してもよい。振動素子２の目標温度情報は、記憶部２６０のＲＯＭ（Read Only Memory）２６１に記憶されている。そして、発振器１の電源が投入されると、目標温度情報は、ＲＯＭ２６１からレジスター群２６２に含まれる所定のレジスターに転送されて保持され、当該レジスターに保持された目標温度情報がデジタル制御回路２１０に供給される。

また、デジタル制御回路２１０は、記憶部２６０に記憶されている目標周波数の設定値及び第２の温度コードＤＴ２に基づいて発振信号の周波数を温度補償するための分周比制御信号ＤＩＶＣを生成する。前述の通り、分周比制御信号ＤＩＶＣはフラクショナルＮ－ＰＬＬ回路２３１に供給され、フラクショナルＮ－ＰＬＬ回路２３１により、発振回路２３０から出力される発振信号の周波数が、分周比制御信号ＤＩＶＣによって指示される分周比に応じた周波数に変換される。これにより、外気温度によってわずかに変化する発振信号の周波数が温度補償され、フラクショナルＮ－ＰＬＬ回路２３１から出力される発振信号は、外気温度によらずほぼ一定の目標周波数となる。

なお、デジタル制御回路２１０は、アナログ／デジタル変換回路２４３から時分割に出力される第２の温度コードＤＴ２及び第１の温度コードＤＴ１の少なくとも一部に対してローパス処理を行い、高周波ノイズ信号の強度を低減させるデジタルフィルターを含んでもよい。

本実施形態において、デジタル制御回路２１０は、クロック信号に基づいて各種の処理を実行可能なプロセッサーである。本実施形態において、デジタル制御回路２１０は、発振回路２３０が出力する発振信号を図示しない分周回路によって分周したクロック信号（以後、マスタークロック信号ＭＣＫと呼ぶ）に基づいて動作する。なお、集積回路３内に存在する他のデジタル信号処理回路がクロック信号に基づいて動作する場合にも、マスタークロック信号ＭＣＫが使用されて良い。

温度制御回路２２０は、デジタル制御回路２１０が生成した制御信号ＤＨＣに基づいて、制御電圧ＶＨＣを生成して出力する。制御電圧ＶＨＣは、温度制御素子４に供給され、制御電圧ＶＨＣに応じて温度制御素子４の発熱量が制御される。これにより、振動素子２の温度が目標温度でほぼ一定となるように制御される。

インターフェース回路２５０は、発振器１と接続される不図示の外部装置との間でデータ通信を行うための回路である。インターフェース回路２５０は、例えば、Ｉ２Ｃ（Inter-Integrated Circuit）バスに対応したインターフェース回路であってもよいし、ＳＰＩ（Serial Peripheral Interface）バスに対応したインターフェース回路であってもよい。

記憶部２６０は、不揮発性メモリーであるＲＯＭ２６１と、揮発性メモリーであるレジスター群２６２とを有する。発振器１の製造時の検査工程において、外部装置は、インターフェース回路２５０を介して、発振器１が有する各回路の動作を制御するための各種のデータをレジスター群２６２に含まれる各種のレジスターに書き込んで各回路を調整する。そして、外部装置は、インターフェース回路２５０を介して、決定した各種の最適なデータをＲＯＭ２６１に記憶させる。発振器１に電源が投入されると、ＲＯＭ２６１に記憶されている各種のデータは、レジスター群２６２に含まれる各種のレジスターに転送されて保持され、当該各種のレジスターに保持された各種のデータが各回路に供給される。

レギュレーター２７０は、発振器１の外部から供給される電源電圧ＶＤＤに基づいて、集積回路３が有する各回路の電源電圧や基準電圧を生成する。

＜異常発熱の防止＞
以上のように、発振器１においては、温度制御素子４を発熱させ、振動素子２の温度を制御する機能を有している。温度制御素子４は、温度制御回路２２０が出力する制御電圧ＶＨＣに応じて発熱するため、制御電圧ＶＨＣが異常になると、過度に発熱する場合がある。そこで、本実施形態にかかる発振器１は、温度制御素子４を過度に発熱させる原因が生じた場合に、温度制御素子４への制御電圧ＶＨＣの出力を停止させる機能を備えている。また、本実施形態にかかる発振器１は、温度制御素子４の温度が基準を超えて上昇した場合に、温度制御素子４への制御電圧ＶＨＣの出力を停止させる機能を備えている。

図２は、温度制御素子４の異常発熱を防止する機能を実現するための構成を図１から抜き出して示した図である。温度制御回路２２０は、デジタル制御回路２１０が出力する制御信号ＤＨＣに基づいて、温度制御素子４を制御する。従って、デジタル制御回路２１０から出力される制御信号ＤＨＣが異常になると、温度制御素子４が過度に発熱する可能性がある。制御信号ＤＨＣが異常になる一つの原因としては、マスタークロック信号ＭＣＫの異常が挙げられる。すなわち、デジタル制御回路２１０はマスタークロック信号ＭＣＫに基づいて動作するため、マスタークロック信号ＭＣＫが停止するなどの異常が発生すると、適正な制御信号ＤＨＣを出力することができない。

そこで、本実施形態においては、クロック信号異常検出回路３００によって、クロック信号の異常を検出する。クロック信号異常検出回路３００は、クロック信号の異常を検出した場合、出力信号ＡＣによって温度制御回路２２０の動作を無効にする。すなわち、温度制御回路２２０が備えるイネーブル信号ノードに対して、disableを示す信号を出力する。この結果、温度制御回路２２０による制御電圧ＶＨＣの出力が停止し、温度制御素子４の発熱が停止する。クロック信号異常検出回路３００の構成の詳細は後述する。

また、本実施形態においては、第１温度センサー５および第２温度センサー２４１の出力値も監視される。第１温度センサー５が出力する第１の温度検出信号ＶＴ１は、セレクター２４２およびアナログ／デジタル変換回路２４３を介して第１の温度コードＤＴ１に変換される。本実施形態においてデジタル制御回路２１０は、プロセッサーであるため、当該第１の温度コードＤＴ１を監視すれば、温度制御素子４が異常に発熱しているか否かを判定することができる。そこで、デジタル制御回路２１０は、第１温度センサー５により検出された温度を監視し、温度の異常を検出した場合に、温度制御回路２２０による温度制御素子４への制御電圧ＶＨＣの供給を停止させる。

具体的には、デジタル制御回路２１０は、第１の温度コードＤＴ１が示す温度が第１の基準値を超えた場合、出力信号ＡＴ１によって温度制御回路２２０の動作を無効にする。すなわち、温度制御回路２２０が備えるイネーブル信号ノードに対して、disableを示すローレベルの信号を出力する。この結果、温度制御回路２２０による制御電圧ＶＨＣの出力が停止し、温度制御素子４の発熱が停止する。この構成によれば、温度制御素子４の温度が過度に上昇した場合、それ以上温度が上昇しないように制御することができる。

さらに、本実施形態において、集積回路３は、第２温度センサー監視回路３１０を備えている。第２温度センサー監視回路３１０は、アナログ回路で構成され、第２温度センサー２４１により検出された第２の温度検出信号ＶＴ２を監視する。また、第２温度センサー監視回路３１０は、第２の温度検出信号ＶＴ２が示す温度と、第２の基準値とを比較し、第２の温度検出信号ＶＴ２が示す温度が第２の基準値を超えた場合、出力信号ＡＴ２によって温度制御回路２２０の動作を無効にする。すなわち、温度制御回路２２０が備えるイネーブル信号ノードに対して、disableを示す信号を出力する。この結果、温度制御回路２２０による制御電圧ＶＨＣの出力が停止し、温度制御素子４の発熱が停止する。第２温度センサー監視回路３１０の構成の詳細は後述する。

＜クロック信号の異常＞
次に、クロック信号の異常による過度の発熱を説明する。図３は、温度制御回路２２０の構成例を示す図である。図３に示す温度制御回路２２０は、ＡＮＤ回路２２１、レベルシフト回路２２２、抵抗素子２２３、コンデンサー２２４、アナログバッファー回路２２５を備えている。ＡＮＤ回路２２１は２入力のＡＮＤ回路であり、制御信号ＤＨＣとイネーブル信号ＥＮとが入力される。従って、ＡＮＤ回路２２１は、イネーブル信号ＥＮがハイレベルである場合に、制御信号ＤＨＣと同一の信号を出力する。イネーブル信号ＥＮがローレベルである場合に、ＡＮＤ回路２２１の出力はローレベルに固定され、制御信号ＤＨＣは出力されない。

レベルシフト回路２２２は、入力された電圧レベルを上昇させる回路であり、ＡＮＤ回路２２１の出力が入力され、レベルシフト後の電圧を出力する。本実施形態においてレベルシフト回路２２２は、制御信号ＤＨＣの電圧レベルから、温度制御素子４を発熱させるために必要なレベルの電圧を生成するための回路である。具体的には、本実施形態において、デジタル制御回路２１０が出力する制御信号ＤＨＣは、デジタル制御回路２１０が出力可能な既定の電圧値で表現される。本実施形態において当該電圧値は、ハイレベルが１．５Ｖ、ローレベルが０Ｖである。ＡＮＤ回路２２１は、当該制御信号ＤＨＣと同一の大きさの信号を出力する。

一方、本実施形態において温度制御素子４を制御する際に必要とされる電圧の最大値は、１．５Ｖより大きい。例えば、温度制御素子４がパワートランジスターである場合に、当該パワートランジスターを制御するために必要な電圧レベルの最大値の一例は２．８Ｖである。この場合、レベルシフト回路２２２は、入力される電圧レベルを１．５Ｖから２．８Ｖに上昇させる。

レベルシフト回路２２２の出力ノードは、抵抗素子２２３の一方のノードに対して電気的に接続され、抵抗素子２２３の他方のノードは、アナログバッファー回路２２５の入力ノードに対して電気的に接続されている。また、アナログバッファー回路２２５の入力ノードと、接地ノードとの間には、コンデンサー２２４が電気的に接続される。このような回路により、抵抗素子２２３およびコンデンサー２２４は、ローパスフィルターを構成している。このため、レベルシフト回路２２２の出力電圧は、ローパスフィルターを介してアナログバッファー回路２２５に供給される。アナログバッファー回路２２５は、ボルテージフォロワー回路であり、入力された電圧と同一の電圧を出力する。

以上の構成において、温度制御回路２２０のイネーブル信号ＥＮがハイレベルである場合、レベルシフト回路２２２の出力電圧は、電圧の最大値が修正されているものの、オンまたはオフとなる期間は制御信号ＤＨＣと同一である。従って、温度制御回路２２０のイネーブル信号ＥＮがハイレベルである場合、制御信号ＤＨＣに対してローパスフィルターを作用させた信号が、アナログバッファー回路２２５から出力される。このような回路により、温度制御回路２２０は、パルス密度変調（ＰＤＭ（Pulse Density Modulation））による温度制御素子４の制御を実現している。

図４は、本実施形態にかかる制御信号ＤＨＣおよび制御電圧ＶＨＣの波形の一例を示す図である。図４において、横軸は時間であり、縦軸は電圧である。図４の例では、１ビットの制御信号ＤＨＣはパルス密度変調によって変調されたコードである。一方、温度制御回路２２０から出力される制御電圧ＶＨＣは制御信号ＤＨＣがローパスフィルターによって復調された信号である。図４においては、復調後の信号が正弦波信号である例を示している。

このように、パルス密度変調によれば、制御信号ＤＨＣのパルスの密度によって温度制御回路２２０から出力される制御電圧ＶＨＣの電圧を調整することができる。以上のようなパルス密度変調においては、パルスの密度が大きいほど、すなわち、制御信号ＤＨＣにおけるハイレベルの期間が長いほど制御電圧ＶＨＣの電圧値は大きくなる。従って、制御信号ＤＨＣが異常になり、制御信号ＤＨＣにおけるハイレベルの期間が想定より長くなると、温度制御素子４による発熱量が想定よりも多くなる。

以上の構成において、制御信号ＤＨＣを生成する回路であるデジタル制御回路２１０を動作させるためのクロック信号に異常が生じた場合、制御信号ＤＨＣにおけるハイレベルの期間が想定より長くなり、温度制御素子４が過度に発熱してしまうことがある。図５は、クロック信号の異常の検出に関連する信号のタイミングチャートである。図５の最上段には、デジタル制御回路２１０に供給されるマスタークロック信号ＭＣＫの例が示されている。この例は、時刻ｔ１以後においてマスタークロック信号ＭＣＫが何らかの原因で停止してしまった例である。すなわち、この例において時刻ｔ１以後、マスタークロック信号ＭＣＫはローレベルに固定されている。

デジタル制御回路２１０においては、マスタークロック信号ＭＣＫの立ち上がりまたは立ち下がりに応じて、パルス密度変調のパルスの立ち上がりおよび立ち下がりを生成する。従って、マスタークロック信号ＭＣＫがローレベルに固定されていると、制御信号ＤＨＣのパルスを変化させることができない。図５の４段目には制御信号ＤＨＣの例を示している。図５に示す例のように、時刻ｔ１においては制御信号ＤＨＣのパルスがハイレベルである。この状態でマスタークロック信号ＭＣＫがローレベルに固定されると、これ以後制御信号ＤＨＣが変化しなくなるため、制御信号ＤＨＣがハイレベルに固定されてしまう。この場合、制御信号ＤＨＣに応じて温度制御回路２２０から出力される制御電圧ＶＨＣの電圧が過度に大きい状態が継続し、温度制御素子４が過度に発熱してしまう。

そこで、本実施形態にかかる発振器１は、クロック信号の異常が検出された場合に、温度制御回路２２０による温度制御素子４への制御電圧ＶＨＣの出力を停止させる機能を有している。具体的には、クロック信号異常検出回路３００が、温度制御回路２２０による制御電圧ＶＨＣの出力の有無を制御する。本実施形態において、クロック信号異常検出回路３００は、クロック信号の振幅の異常を検出する振幅異常検出回路である。

図６は、クロック信号異常検出回路３００の構成例を示す図である。クロック信号異常検出回路３００は、マスタークロック信号ＭＣＫが入力される入力ノードと、出力信号ＡＣを出力する出力ノードを備えている。クロック信号異常検出回路３００の入力ノードは、発振回路２３０からマスタークロック信号ＭＣＫが供給されるノードである。クロック信号異常検出回路３００の出力ノードは、温度制御回路２２０のイネーブル信号ノードに対して電気的に接続される。

クロック信号異常検出回路３００の入力ノードには、コンデンサーＣ３１の一方のノードが電気的に接続される。コンデンサーＣ３１の他方のノードは、抵抗素子Ｒ３１，Ｒ３２の一方のノードに対して電気的に接続される。抵抗素子Ｒ３１，Ｒ３２は、電源ノードＶＤと接地ノードとの間において直列に接続され、抵抗素子Ｒ３１，Ｒ３２の間のノードの電位を所定のバイアス電位に設定する素子である。

抵抗素子Ｒ３１，Ｒ３２の間のノードには、ダイオードＤ３１のアノードが電気的に接続される。ダイオードＤ３１のカソードは、コンパレーター３０１の反転入力ノード（－－）に対して電気的に接続される。また、コンパレーター３０１の非反転入力ノード（＋）と接地ノードとの間には、コンデンサーＣ３２および抵抗素子Ｒ３３が電気的に接続される。コンパレーター３０１の出力ノードは、クロック信号異常検出回路３００の出力ノードである。

非反転入力ノード（＋）に接続された回路は、マスタークロック信号ＭＣＫの振幅レベルを特定するための回路である。具体的には、マスタークロック信号ＭＣＫは、コンデンサーＣ３１を介して、抵抗素子Ｒ３１，Ｒ３２の間のノードに入力されるため、ダイオードＤ３１によって整流される。すなわち、ダイオードＤ３１のアノードに入力されたマスタークロック信号ＭＣＫがハイレベルである場合、ダイオードＤ３１のアノード側からカソード側に電流が流れる。

この場合、コンパレーター３０１の非反転入力ノード（＋）はマスタークロック信号ＭＣＫのハイレベルと同等の電位となる。一方、ダイオードＤ３１のアノードに入力されたマスタークロック信号ＭＣＫがローレベルである場合、ダイオードＤ３１のアノード側からカソード側に電流は流れない。しかし、この場合、コンデンサーＣ３２に蓄積された電荷によって電流が流れ、コンパレーター３０１の非反転入力ノード（＋）の電位はマスタークロック信号ＭＣＫのハイレベルと同等の電位から徐々に小さくなっていく。

このため、ダイオードＤ３１、コンデンサーＣ３２、抵抗素子Ｒ３３は、ピーク検出回路として機能する。従って、コンパレーター３０１の非反転入力ノード（＋）の電位は、マスタークロック信号ＭＣＫが正常である場合、マスタークロック信号ＭＣＫのハイレベルと同等の電位に維持される。一方、マスタークロック信号ＭＣＫが停止してローレベルに固定された場合、コンパレーター３０１の非反転入力ノード（＋）の電位はローレベルになる。すなわち、コンパレーター３０１の非反転入力ノード（＋）には、マスタークロック信号ＭＣＫを直流電位に変換した電位Ｖｄｃが印加される。

一方、コンパレーター３０１の反転入力ノード（－）には、比較基準となる固定の基準電位Ｖref1が印加される。このために、本実施形態においては、電源ノードＶＤに対して抵抗素子Ｒ３４の一方のノードが電気的に接続され、抵抗素子Ｒ３４の他方のノードには、抵抗素子Ｒ３５とダイオードＤ３２のアノードとが電気的に接続されている。抵抗素子Ｒ３５は、ダイオードＤ３２のアノードと接地ノードとの間に電気的に接続されている。ダイオードＤ３２のカソードは、コンパレーター３０１の反転入力ノード（－）に対して電気的に接続されている。また、コンパレーター３０１の反転入力ノード（－）と接地ノードとの間には、抵抗素子Ｒ３６が電気的に接続されている。以上の構成により、コンパレーター３０１の反転入力ノード（－）には、抵抗素子Ｒ３４，Ｒ３５，Ｒ３６およびダイオードＤ３２と関係に応じて、電源ノードＶＤから分圧された固定の電位である基準電位Ｖref1が印加される。

コンパレーター３０１は、反転入力ノード（－）に印加される電位より非反転入力ノード（＋）に印加される電位の方が大きければ、出力ノードにハイレベルの信号を出力する。また、コンパレーター３０１は、反転入力ノード（－）に印加される電位より非反転入力ノード（＋）に印加される電位の方が小さければ、出力ノードにローレベルの信号を出力する。

反転入力ノード（－）に印加される電位は基準電位Ｖref1であり、非反転入力ノード（＋）に印加される電位はマスタークロック信号ＭＣＫを直流電位に変換した電位Ｖｄｃである。従って、コンパレーター３０１においては、電位Ｖｄｃが基準電位Ｖref1より大きい場合に、ハイレベルの信号を出力する。また、コンパレーター３０１においては、電位Ｖｄｃが基準電位Ｖref1より小さい場合に、ローレベルの信号を出力する。電位Ｖｄｃは、マスタークロック信号ＭＣＫを直流電位に変換した電位Ｖｄｃであるため、マスタークロック信号ＭＣＫが正常に動作している場合、ハイレベルになる。例えば、図５に示す例において、時刻ｔ１より前においてはマスタークロック信号ＭＣＫが正常に動作している。この場合、図５に示すように、電位Ｖｄｃはハイレベルである。従って、マスタークロック信号ＭＣＫが正常に動作している場合、コンパレーター３０１の出力信号ＡＣはハイレベルになる。一方、マスタークロック信号ＭＣＫが停止している場合、電位ｄｃはローレベルになる。図５に示す例においては、時刻ｔ１より後においてマスタークロック信号ＭＣＫが停止している。この場合、図５に示すように電位Ｖｄｃは徐々に下がり、やがて、ローレベルになる。この結果、時刻ｔ２において電位Ｖｄｃが基準電位Ｖref1以下となり、コンパレーター３０１の出力信号ＡＣはローレベルになる。

コンパレーター３０１の出力ノードは、クロック信号異常検出回路３００の出力ノードであり、温度制御回路２２０のイネーブル信号ノード（図３に示すＡＮＤ回路２２１のＥＮ）に対して電気的に接続される。従って、図５に示す例の時刻ｔ１より前の状態のように、マスタークロック信号ＭＣＫが正常に動作している場合、コンパレーター３０１は、温度制御回路２２０のイネーブル信号ノード（ＥＮ）をハイレベルにする。すなわち、温度制御回路２２０の動作を有効にする。このため、温度制御回路２２０においては、デジタル制御回路２１０が出力する制御信号ＤＨＣがＡＮＤ回路２２１から出力される。この結果、温度制御回路２２０から制御電圧ＶＨＣが出力され、温度制御素子４の温度が制御される。

一方、図５に示す例の時刻ｔ１より後の状態のように、マスタークロック信号ＭＣＫが停止している場合、コンパレーター３０１は、温度制御回路２２０のイネーブル信号ノード（ＥＮ）をローレベルにする。すなわち、温度制御回路２２０のＡＮＤ回路２２１において、イネーブル信号ノード（ＥＮ）がローレベルに固定され、ＡＮＤ回路２２１の出力（図５に示すＡＮＤＯＵＴ）もローレベルに固定される。この結果、アナログバッファー回路２２５の出力はローレベルに固定され、温度制御回路２２０から制御電圧ＶＨＣが出力されない状態となる。従って、温度制御回路２２０の動作が無効になり、温度制御素子４が過度に発熱することが防止される。

＜第１温度センサーの温度異常＞
次に、第１温度センサー５による温度異常の監視を説明する。第１温度センサー５による検出温度は、第１の温度コードＤＴ１として、デジタル制御回路２１０に入力される。デジタル制御回路２１０は、第１の温度コードＤＴ１が示す温度が第１の基準値以下である場合、出力信号ＡＴ１をハイレベルとする。また、デジタル制御回路２１０は、第１の温度コードＤＴ１が示す温度が第１の基準値を超えた場合、出力信号ＡＴ１をローレベルとする。

図７は、第１温度センサーによる異常の検出に関連する信号のタイミングチャートである。図７においては、最上段に第１の温度コードＤＴ１が示す温度Ｔ（ＤＴ１）を表記している。また、第１の基準値はＴｈ１である。図７に示す例では、時刻ｔ１より前において、第１の温度コードＤＴ１が示す温度Ｔ（ＤＴ１）が第１の基準値Ｔｈ１より低いことが想定されている。この状態において、デジタル制御回路２１０は、出力信号ＡＴ１をハイレベルとする。当該出力信号ＡＴ１は、温度制御回路２２０のイネーブル信号ノード（ＥＮ）に供給される。従って、この場合、温度制御回路２２０においては、デジタル制御回路２１０が出力する制御信号ＤＨＣがＡＮＤ回路２２１から出力される。この結果、温度制御回路２２０から制御電圧ＶＨＣが出力され、温度制御素子４の温度が制御される。

一方、時刻ｔ１より後において、第１の温度コードＤＴ１が示す温度Ｔ（ＤＴ１）が第１の基準値Ｔｈ１より高くなったことが想定されている。この状態において、デジタル制御回路２１０は、出力信号ＡＴ１をローレベルにする。この場合、温度制御回路２２０のＡＮＤ回路２２１において、イネーブル信号ノード（ＥＮ）がローレベルに固定され、ＡＮＤ回路２２１の出力（図７に示すＡＮＤＯＵＴ）もローレベルに固定される。この結果、アナログバッファー回路２２５の出力はローレベルに固定され、温度制御回路２２０から制御電圧ＶＨＣが出力されない状態となる。従って、温度制御回路２２０の動作が無効になり、温度制御素子４が過度に発熱することが防止される。

＜第２温度センサーの温度異常＞
次に、第２温度センサー監視回路３１０を詳細に説明する。図８は、第２温度センサー監視回路３１０の例を示す図である。第２温度センサー監視回路３１０は、抵抗素子Ｒ３７，Ｒ３８と、コンパレーター３１１と、を備えている。抵抗素子Ｒ３７，Ｒ３８は、電源ノードＶＤと接地ノードとの間に直列になるように電気的に接続されている。抵抗素子Ｒ３７，Ｒ３８の間のノードは、コンパレーター３１１の反転入力ノード（－）に対して電気的に接続されている。抵抗素子Ｒ３７，Ｒ３８によって電源ノードＶＤの電位が分圧されることによって得られる固定の電位は、コンパレーター３１１が比較を行う際の基準電位Ｖref2となる。

一方、コンパレーター３１１の非反転入力ノード（＋）には、第２温度センサー２４１から出力される第２の温度検出信号ＶＴ２が入力される。図８においては、第２温度センサー２４１における温度と第２の温度検出信号ＶＴ２との関係をグラフＧによって模式的に示している。当該グラフＧに示すように、本実施形態にかかる第２温度センサー２４１においては、温度が高くなるほど第２の温度検出信号ＶＴ２が小さくなる特性を有している。従って、第２の温度検出信号ＶＴ２が基準の電位より小さい場合に、第２の温度検出信号ＶＴ２が示す温度が既定の温度を超えていると判断できる。

コンパレーター３１１は、反転入力ノード（－）に印加される電位より非反転入力ノード（＋）に印加される電位の方が大きければ、出力ノードにハイレベルの信号を出力する。また、コンパレーター３１１は、反転入力ノード（－）に印加される電位より非反転入力ノード（＋）に印加される電位の方が小さければ、出力ノードにローレベルの信号を出力する。

第２温度センサー監視回路３１０において反転入力ノード（－）に印加される電位は基準電位Ｖref2であり、非反転入力ノード（＋）に印加される電位は第２の温度検出信号ＶＴ２である。従って、コンパレーター３１１においては、第２の温度検出信号ＶＴ２が基準電位Ｖref2より大きい場合に、ハイレベルの信号を出力する。また、コンパレーター３１１においては、第２の温度検出信号ＶＴ２が基準電位Ｖref2より小さい場合に、ローレベルの信号を出力する。

第２の温度検出信号ＶＴ２は、グラフＧに示すように、温度が大きいほど小さくなる。そこで、本実施形態においては、第２温度センサー２４１における温度に上限となる第２の基準値が設定してある。そして、第２温度センサー２４１における温度が第２の基準値である場合に出力される第２の温度検出信号ＶＴ２と同じ電位を基準電位Ｖref2として定義してある。すなわち、当該基準電位Ｖref2がコンパレーター３０１の反転入力ノード（－）に印加されるように、抵抗素子Ｒ３７，Ｒ３８が選択してある。

従って、第２温度センサー２４１の温度が第２の基準値を超えていない場合、第２の温度検出信号ＶＴ２の電位は基準電位Ｖref2より大きく、コンパレーター３１１の出力信号ＡＴ２はハイレベルになる。一方、第２温度センサー２４１の温度が第２の基準値を超えた場合、第２の温度検出信号ＶＴ２の電位は基準電位Ｖref2より小さくなり、コンパレーター３１１の出力信号ＡＴ２はローレベルになる。図９は、第２温度センサーによる異常の検出に関連する信号のタイミングチャートである。図９に示されるように、第２の温度検出信号ＶＴ２が基準電位Ｖref2より小さくなると、コンパレーター３１１の出力信号ＡＴ２なローレベルになる。

コンパレーター３１１の出力ノードは、第２温度センサー監視回路３１０の出力ノードであり、温度制御回路２２０のイネーブル信号ノード（ＥＮ）に対して電気的に接続される。従って、第２温度センサー２４１の温度が第２の基準値以下であり、第２の温度検出信号ＶＴ２が基準電位Ｖref2より大きい場合、コンパレーター３１１は、温度制御回路２２０のイネーブル信号ノード（ＥＮ）をハイレベルにする。すなわち、温度制御回路２２０の動作を有効にする。このため、温度制御回路２２０においては、デジタル制御回路２１０が出力する制御信号ＤＨＣがＡＮＤ回路２２１から出力される。この結果、温度制御回路２２０から制御電圧ＶＨＣが出力され、温度制御素子４の温度が制御される。

一方、第２温度センサー２４１の温度が第２の基準値を超えており、第２の温度検出信号ＶＴ２が基準電位Ｖref2より小さい場合、コンパレーター３１１は、温度制御回路２２０のイネーブル信号ノード（ＥＮ）をローレベルにする。すなわち、温度制御回路２２０のＡＮＤ回路２２１において、イネーブル信号ノード（ＥＮ）がローレベルに固定され、ＡＮＤ回路２２１の出力（図９に示すＡＮＤＯＵＴ）もローレベルに固定される。この結果、アナログバッファー回路２２５の出力はローレベルに固定され、温度制御回路２２０から制御電圧ＶＨＣが出力されない状態となる。この結果、温度制御回路２２０の動作が無効になり、温度制御素子４が過度に発熱することが防止される。

以上のように、本実施形態においては、第１温度センサー５によって検出された温度によって、温度制御素子４における異常な発熱が生じているか否か監視される。さらに、第２温度センサー２４１によって検出された温度によって、温度制御素子４における異常な発熱が生じているか否か監視される。従って、２系統の温度センサーで温度が監視される。この構成によれば、一方の温度センサーが故障した場合であっても、他方の温度センサーによって温度制御素子４の異常な発熱を特定することができ、異常な発熱を防止できる可能性を高めることができる。

さらに、本実施形態においては、２系統の温度センサーに加えて、クロック信号の異常が生じたか否かも監視される。従って、３系統の方法で温度制御素子４の異常な発熱が防止される。このため、３系統の方法のいずれか一つでも機能していれば、他の系統の方法が故障したとしても、温度制御素子４の異常な発熱を防止できる。従って、異常な発熱を防止できる可能性をさらに高めることができる。

さらに、本実施形態において、温度制御回路２２０、第２温度センサー２４１および第２温度センサー監視回路３１０は、集積回路３内に形成されており、集積回路３内の配線によって電気的に接続される。一方、第１温度センサー５は、集積回路３の外部に存在し、配線を介して集積回路３に電気的に接続される。すなわち、第１温度センサー５に設けられたパッドと配線とが接続され、当該配線と集積回路３に設けられたパッドとが接続される。このように、第１温度センサー５と第２温度センサー２４１とでは、電気的な接続を行うための要素が異なっている。

従って、両者は異なる原因で故障し得る。例えば、発振器１に対する振動や、物体の接触によって、パッドと配線との間の接続が切断される可能性があり、配線が切断される可能性もある。一方、このような切断が生じたとしても、第２温度センサー２４１などの集積回路３内の配線が切断されないことは多い。従って、本実施形態のように、２系統、３系統の方法で、温度制御素子４の異常な発熱が監視されると、種々の原因による故障が発生したとしても、温度制御素子４の異常な発熱を防止できる可能性が高い。

＜第２実施形態＞
第１実施形態においては、温度制御素子４が異常に発熱しないように制御されるが、異常が検出された場合に、異常が検出されたことを示す信号が集積回路３の外部に出力されても良い。図１０は、このような構成を備える集積回路３のブロック図である。当該構成は、図１および図２に示す構成に対して、異常信号発生回路３２０および外部端子Ｎｏを追加することによって実現可能である。

異常信号発生回路３２０は、クロック信号異常検出回路３００において異常が検出された場合に、外部端子Ｎｏから異常検出信号を外部に出力させる回路である。また、異常信号発生回路３２０は、デジタル制御回路２１０において第１温度センサー５の温度の異常が検出された場合と、第２温度センサー監視回路３１０において第２温度センサー２４１の温度の異常が検出された場合と、において、外部端子Ｎｏから異常検出信号を外部に出力させる回路である。

異常信号発生回路３２０は、各種の態様で実現されて良い。例えば、クロック信号異常検出回路３００において異常が検出された場合、クロック信号異常検出回路３００からの出力信号ＡＣがハイレベルからローレベルに変化する。そこで、インバーターによって異常信号発生回路３２０を構成し、出力信号ＡＣのレベルを反転させた信号を外部端子Ｎｏから出力させる構成とすれば、クロック信号異常検出回路３００において異常が検出された場合に、外部端子Ｎｏからハイレベルの信号を出力させることができる。

また、デジタル制御回路２１０において第１温度センサー５の温度の異常が検出された場合、デジタル制御回路２１０からの出力信号ＡＴ１がハイレベルからローレベルに変化する。そこで、インバーターによって異常信号発生回路３２０を構成し、出力信号ＡＴ１のレベルを反転させた信号を外部端子Ｎｏから出力させる構成としてもよい。この構成によれば、デジタル制御回路２１０において異常が検出された場合に、外部端子Ｎｏからハイレベルの信号を出力させることができる。

第２温度センサー監視回路３１０において第２温度センサー２４１の温度の異常が検出された場合、第２温度センサー監視回路３１０からの出力信号ＡＴ２がハイレベルからローレベルに変化する。そこで、インバーターによって異常信号発生回路３２０を構成し、出力信号ＡＴ２のレベルを反転させた信号を外部端子Ｎｏから出力させる構成としてもよい。この構成によれば、第２温度センサー監視回路３１０において異常が検出された場合に、外部端子Ｎｏからハイレベルの信号を出力させることができる。

むろん、以上の構成は一例であり、外部端子Ｎｏからの出力信号がハイレベルである場合に異常が検出されておらず、ローレベルである場合に異常が検出されたと見なすのであれば、異常信号発生回路３２０は、出力信号ＡＣ、ＡＴ１，ＡＴ２を直接外部端子Ｎｏから出力させる配線であっても良い。また、異常信号発生回路３２０は、バッファー回路を介して出力信号ＡＣ、ＡＴ１，ＡＴ２を外部端子Ｎｏから出力させる構成であってもよい。以上の構成によれば、外部端子Ｎｏからの出力信号に基づいて、温度制御素子４の発熱異常が発生しているか否かを特定することが可能になる。

＜第３実施形態＞
さらに、温度制御素子４における異常が検出された場合に、異常が検出されたことを示す情報が発振器１に保持され、ユーザーによって参照可能であっても良い。図１１は、このような構成を備える集積回路３のブロック図である。当該構成は、図１と同様な構成において、クロック信号異常検出回路３００の出力信号ＡＣ、デジタル制御回路２１０の出力信号ＡＴ１、第２温度センサー監視回路３１０の出力信号ＡＴ２を記憶部２６０に入力するなどして実現可能である。

図１１は、このような構成から、図２と同様の回路と、インターフェース回路２５０および記憶部２６０を抜き出して示している。図１１に示す回路において、記憶部２６０は、クロック信号異常検出回路３００において異常が検出された場合に、クロック信号の異常を示す情報を記憶部２６０に記憶する。すなわち、クロック信号異常検出回路３００によってマスタークロック信号ＭＣＫの異常が検出され、出力信号ＡＣがハイレベルからローレベルに変化すると、クロック信号の異常が発生したことを示す信号がレジスター群２６２転送される。この結果、レジスター群２６２に含まれる特定のレジスターにおいて、クロック信号の異常が発生したことを示すフラグが保持される。ユーザーは、インターフェース回路２５０に接続された外部装置を介して、当該特定のレジスターに保持されたフラグの値を読み出すことが可能である。そして、当該特定のレジスターに保持されたフラグの値が、クロック信号の異常を示している場合、ユーザーは、マスタークロック信号ＭＣＫが停止するなどの異常が発生したことを認識することができる。

また、記憶部２６０は、デジタル制御回路２１０において第１温度センサー５の温度の異常が検出された場合に、第１温度センサー５の温度の異常を示す情報を記憶部２６０に記憶する。すなわち、デジタル制御回路２１０は、第１の温度コードＤＴ１が示す第１温度センサー５の温度が第１の基準値を超えた場合に、出力信号ＡＴ１をハイレベルからローレベルに変化させる。当該出力信号ＡＴ１がハイレベルからローレベルに変化すると、温度制御素子４が過度に発熱していることを示す信号がレジスター群２６２転送される。この結果、レジスター群２６２に含まれる特定のレジスターにおいて、温度制御素子４が過度に発熱していることを示すフラグが保持される。ユーザーは、インターフェース回路２５０に接続された外部装置を介して、当該特定のレジスターに保持されたフラグの値を読み出すことが可能である。そして、当該特定のレジスターに保持されたフラグの値が、温度制御素子４が過度に発熱していることを示している場合、ユーザーは、第１温度センサー５に基づいて温度制御素子４の過度の発熱が検出されたことを認識することができる。

さらに、記憶部２６０は、デジタル制御回路２１０において第２温度センサー２４１の温度の異常が検出された場合に、第２温度センサー２４１の温度の異常を示す情報を記憶部２６０に記憶する。すなわち、第２温度センサー監視回路３１０は、第２の温度検出信号ＶＴ２が示す第２温度センサー２４１の温度が第２の基準値を超えた場合に、出力信号ＡＴ２をハイレベルからローレベルに変化させる。当該出力信号ＡＴ２がハイレベルからローレベルに変化すると、温度制御素子４が過度に発熱していることを示す信号がレジスター群２６２転送される。この結果、レジスター群２６２に含まれる特定のレジスターにおいて、温度制御素子４が過度に発熱していることを示すフラグが保持される。ユーザーは、インターフェース回路２５０に接続された外部装置を介して、当該特定のレジスターに保持されたフラグの値を読み出すことが可能である。そして、当該特定のレジスターに保持されたフラグの値が、温度制御素子４が過度に発熱していることを示している場合、ユーザーは、第２温度センサー２４１に基づいて温度制御素子４の過度の発熱が検出されたことを認識することができる。

以上の各実施形態は発明を実施する例である。従って、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。例えば、温度制御回路２２０、クロック信号異常検出回路３００、第２温度センサー監視回路３１０の構成は一例であり、コンデンサーや抵抗素子、ダイオード等の他の素子が追加された構成であっても良い。また、外部端子Ｎｏは、異常の原因に応じて３種類の外部端子が設けられてもよい。この他、上述の実施形態に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、前述した各実施形態を適宜組み合わせてもよい。

１…発振器、２…振動素子、３…集積回路、４…温度制御素子、５…第１温度センサー、２１０…デジタル制御回路、２２０…温度制御回路、２２１…ＡＮＤ回路、２２２…レベルシフト回路、２２３…抵抗素子、２２４…コンデンサー、２２５…アナログバッファー回路、２３０…発振回路、２３１…フラクショナルＮ－ＰＬＬ回路、２３２…分周回路、２３３…出力バッファー、２４１…第２温度センサー、２４２…セレクター、２４３…デジタル変換回路、２５０…インターフェース回路、２６０…記憶部、２６１…ＲＯＭ、２６２…レジスター群、２７０…レギュレーター、３００…クロック信号異常検出回路、３０１…コンパレーター、３１０…第２温度センサー監視回路、３１１…コンパレーター、３２０…異常信号発生回路

Claims (6)

1. 振動素子と、
   前記振動素子を発振させ、クロック信号を生成する発振回路と、
   第１温度センサーと、
   前記クロック信号に基づいて動作し、前記第１温度センサーにより検出された温度に基づいて制御信号を出力するデジタル制御回路と、
   前記制御信号に基づいて、制御電圧を出力し、イネーブル信号ノードを有する温度制御回路と、
   前記制御電圧に基づいて、前記振動素子の温度を制御する温度制御素子と、
   検出した温度に応じた電圧レベルを有する温度検出信号を出力する第２温度センサーと、
   アナログ回路で構成され、前記温度検出信号が示す温度を監視する第２温度センサー監視回路と、を備え、
   前記デジタル制御回路は、前記第１温度センサーにより検出された温度を監視し、温度の異常を検出した場合に、前記温度制御回路による前記温度制御素子への前記制御電圧の供給を停止させ、
   前記第２温度センサー監視回路は、前記第２温度センサーの温度の異常を検出した場合に、ディセーブルを示す信号を前記イネーブル信号ノードに出力し、前記温度制御回路による前記温度制御素子への前記制御電圧の供給を停止させる、
   発振器。
2. 前記温度制御回路、前記第２温度センサーおよび前記第２温度センサー監視回路は、集積回路内に形成されており、
   前記第１温度センサーは、前記集積回路の外部に存在する、
   請求項１に記載の発振器。
3. 前記クロック信号の異常を検出するクロック信号異常検出回路をさらに備え、
   前記クロック信号異常検出回路は、前記クロック信号の異常が検出された場合に、前記温度制御回路による前記温度制御素子への前記制御電圧の出力を停止させる、
   請求項１または請求項２に記載の発振器。
4. 前記クロック信号異常検出回路は、前記クロック信号の振幅の異常を検出する振幅異常検出回路である、
   請求項３に記載の発振器。
5. 前記デジタル制御回路において前記第１温度センサーの温度の異常が検出された場合と、前記第２温度センサー監視回路において前記第２温度センサーの温度の異常が検出された場合と、の少なくとも一方において、異常検出信号が外部に出力される外部端子をさらに備える、
   請求項１～請求項４のいずれか一項に記載の発振器。
6. 記憶部をさらに備え、
   前記デジタル制御回路において前記第１温度センサーの温度の異常が検出された場合と、前記第２温度センサー監視回路において前記第２温度センサーの温度の異常が検出された場合と、の少なくとも一方において、温度の異常を示す情報を前記記憶部に記憶する、
   請求項１～請求項５のいずれか一項に記載の発振器。