特開 2024-135185 測定デバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024135185

(43)【公開日】2024-10-04

(54)【発明の名称】測定デバイス

(51)【国際特許分類】

   H03B 5/32 20060101AFI20240927BHJP

   G04G 3/02 20060101ALN20240927BHJP

【ＦＩ】

H03B5/32 A

H03B5/32 H

G04G3/02 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023045747

(22)【出願日】2023-03-22

(71)【出願人】

【識別番号】000002369

【氏名又は名称】セイコーエプソン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091292

【弁理士】

【氏名又は名称】増田 達哉

(74)【代理人】

【識別番号】100173428

【弁理士】

【氏名又は名称】藤谷 泰之

(74)【代理人】

【識別番号】100091627

【弁理士】

【氏名又は名称】朝比 一夫

(72)【発明者】

【氏名】市川 遼

(72)【発明者】

【氏名】牧 克彦

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 久浩

【テーマコード（参考）】

2F002

5J079

【Ｆターム（参考）】

2F002AA12

2F002CB01

5J079AA04

5J079BA02

5J079BA43

5J079CA04

5J079CA11

5J079CB01

5J079HA03

5J079HA07

5J079HA10

5J079HA16

5J079HA28

(57)【要約】

【課題】高い精度で測定対象を測定することのできる測定デバイスを提供すること。
【解決手段】測定デバイスは、振動素子と、前記振動素子を加熱する温度制御回路素子と、前記振動素子を発振させる発振回路素子と、前記発振回路素子が出力する発振信号に基づいて測定対象を測定する測定回路素子と、前記振動素子、前記温度制御回路素子、前記発振回路素子および前記測定回路素子が実装されているパッケージと、を有し、前記パッケージは、気密封止されている収容空間を有し、前記収容空間に少なくとも前記振動素子および前記温度制御回路素子が収容されている。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

振動素子と、
前記振動素子を加熱する温度制御回路素子と、
前記振動素子を発振させる発振回路素子と、
前記発振回路素子が出力する発振信号に基づいて測定対象を測定する測定回路素子と、
前記振動素子、前記温度制御回路素子、前記発振回路素子および前記測定回路素子が実装されているパッケージと、を有し、
前記パッケージは、気密封止されている収容空間を有し、
前記収容空間に少なくとも前記振動素子および前記温度制御回路素子が収容されていることを特徴とする測定デバイス。

【請求項2】

前記パッケージは、第１面に開口する第１凹部および前記第１面と表裏関係にある第２面に開口する第２凹部を有するベースと、前記第１面に接合され前記第１凹部の開口を覆って前記収容空間を形成するリッドと、を有する請求項１に記載の測定デバイス。

【請求項3】

前記第１凹部に前記振動素子、前記温度制御回路素子、前記発振回路素子が配置され、
前記第２凹部に前記測定回路素子が配置されている請求項２に記載の測定デバイス。

【請求項4】

前記測定回路素子は、ＡＤ変換回路を含む第１測定回路素子と、前記発振信号および前記ＡＤ変換回路から出されるデジタル信号に基づいて前記測定対象を測定する第２測定回路素子と、を有し、
前記第１凹部に前記振動素子、前記温度制御回路素子、前記発振回路素子および前記第２測定回路素子が配置され、
前記第２凹部に前記第１測定回路素子が配置されている請求項２に記載の測定デバイス。

【請求項5】

前記第１凹部の底部に前記温度制御回路素子および前記第２測定回路素子が配置され、
前記第２凹部の底部に前記第１測定回路素子が配置されている請求項４に記載の測定デバイス。

【請求項6】

前記パッケージは、第１面に開口する第１凹部を有するベースと、前記第１面に接合され前記第１凹部の開口を覆って前記収容空間を形成するリッドと、を有し、
前記第１凹部に前記振動素子、前記温度制御回路素子、前記発振回路素子および前記測定回路素子が配置されている請求項１に記載の測定デバイス。

【請求項7】

前記測定対象は、外部から入力される信号の周波数である請求項１に記載の測定デバイス。

【請求項8】

前記測定対象は、外部から入力される信号の電圧である請求項１に記載の測定デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、測定デバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、水晶振動子を備えた発振器が発振するクロック信号および発振器の外部から入力される外部クロック信号の一方に基づいて他方の周波数を測定する回路装置が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２１－０９７３５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、発振器が温度依存性を有するため、外部温度によって発振器が発振するクロック信号が変動し、周波数測定精度が低下するおそれがある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の測定デバイスは、振動素子と、
前記振動素子を加熱する温度制御回路素子と、
前記振動素子を発振させる発振回路素子と、
前記発振回路素子が出力する発振信号に基づいて測定対象を測定する測定回路素子と、
前記振動素子、前記温度制御回路素子、前記発振回路素子および前記測定回路素子が実装されているパッケージと、を有し、
前記パッケージは、気密封止されている収容空間を有し、
前記収容空間に少なくとも前記振動素子および前記温度制御回路素子が収容されている。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】第１実施形態に係る測定デバイスの回路構成を示すブロック図である。

【図2】測定デバイスの断面図である。

【図3】収容空間内を示す上面図である。

【図4】収容空間内を示す上面図である。

【図5】測定デバイスの回路構成を示すブロック図である。

【図6】第２実施形態に係る測定デバイスの断面図である。

【図7】第３実施形態に係る測定デバイスの断面図である。

【図8】ＰＬＬ回路のブロック図である。

【図9】第４実施形態に係る測定デバイスの断面図である。

【図10】第５実施形態に係る測定デバイスの断面図である。

【図11】測定デバイスの変形例を示す断面図である。

【図12】第６実施形態に係る測定デバイスの回路構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下、本発明の測定デバイスの好適な実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。

【0008】

なお、説明の便宜上、ブロック図を除く各図には互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を図示している。また、以下では、Ｚ軸の矢印側を「上」とも言い、反対側を「下」とも言う。

【0009】

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る測定デバイスの回路構成を示すブロック図である。図２は、測定デバイスの断面図である。図３および図４は、それぞれ、収容空間内を示す上面図である。図５は、測定デバイスの回路構成を示すブロック図である。

【0010】

まずは、測定デバイス１の回路構成について説明する。図１に示すように、測定デバイス１は、振動素子２を発振させる発振回路９１を有する。このような発振回路９１は、振動素子２から出力される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、発振信号を生成する回路である。

【0011】

また、測定デバイス１は、さらに、発振回路９１から出力される発振信号に基づいて安定したクロック信号ＣＬＫを生成するＰＬＬ回路９２を有する。このようなＰＬＬ回路９２は、第１位相比較器９２１と、第１ローパスフィルター９２２と、電圧制御型発振器９２３と、第１分周器９２４と、出力バッファー回路９２５と、を有する。

【0012】

第１位相比較器９２１は、発振回路９１から出力される発振信号と第１分周器９２４から出力される周波数信号との間の位相差を検出し、第１ローパスフィルター９２２に出力する。第１ローパスフィルター９２２は、第１位相比較器９２１からの出力信号から高周波成分を除去し、電圧に変換して電圧制御型発振器９２３を制御する直流信号として出力する。第１分周器９２４は、電圧制御型発振器９２３から出力される周波数信号を分周した周波数信号を第１位相比較器９２１に出力する。電圧制御型発振器９２３からは、直流信号の電圧に応じた周波数信号が出力バッファー回路９２５に向けて出力され、出力バッファー回路９２５からクロック信号ＣＬＫが出力される。このようなＰＬＬ回路９２によれば、安定したクロック信号ＣＬＫを生成することができる。

【0013】

また、測定デバイス１は、さらに、クロック信号ＣＬＫを用いて外部クロック信号ＥＸＩＮの周波数を測定する周波数測定回路９３を有する。周波数測定回路９３は、カウンター回路９３１と、時間デジタル変換回路９３２と、演算回路９３６と、を有する。

【0014】

カウンター回路９３１は、第１カウンター９３１ａと、第２カウンター９３１ｂと、を有する。第１カウンター９３１ａは、外部端子７４４を介して測定デバイス１の外部から入力された外部クロック信号ＥＸＩＮに基づくカウント処理を行い、所定周期で遷移する第１信号ＳＴＡを時間デジタル変換回路９３２に出力すると共に、前記所定周期をカウントしたカウントデータＣｎｔＭを演算回路９３６に出力する。これに対して、第２カウンター９３１ｂは、ＰＬＬ回路９２から入力されたクロック信号ＣＬＫに基づくカウント処理を行い、所定周期で遷移する第２信号ＳＴＰを時間デジタル変換回路９３２に出力すると共に、前記所定周期をカウントしたカウントデータＣｎｔＴを演算回路９３６に出力する。なお、第２信号ＳＴＰは、分周クロック信号であり、クロック信号ＣＬＫより低周波数の信号である。

【0015】

時間デジタル変換回路９３２は、信号生成回路９３３と、積分処理回路９３４と、測定回路９３５と、を有する。

【0016】

信号生成回路９３３は、積分期間信号生成回路９３３ａ、９３３ｃと、極性切替信号生成回路９３３ｂ、９３３ｄと、を有する。積分期間信号生成回路９３３ａは、第１信号ＳＴＡに基づいて信号ＳＩＮＴ１を生成する。そして、極性切替信号生成回路９３３ｂは、信号ＳＩＮＴ１およびクロック信号ＣＬＫに基づいて信号ＳＰＨ１、ＳＰＨ２を生成する。これに対して、積分期間信号生成回路９３３ｃは、第２信号ＳＴＰに基づいて信号ＳＩＮＴ２を生成する。そして、極性切替信号生成回路９３３ｂは、信号ＳＩＮＴ２およびクロック信号ＣＬＫに基づいて信号ＳＰＨ３、ＳＰＨ４を生成する。信号ＳＩＮＴ１、ＳＩＮＴ２は、積分期間信号であり、信号ＳＰＨ１、ＳＰＨ２、ＳＰＨ３、ＳＰＨ４は、積分極性切替信号である。信号ＳＰＨ１は、信号ＳＩＮＴ１で定められた積分期間においてクロック信号ＣＬＫに同期したタイミングでローレベルからハイレベルに遷移する。一方、信号ＳＰＨ２は、信号ＳＰＨ１の遷移タイミングからクロック信号ＣＬＫの所定クロック数後にローレベルからハイレベルに遷移する。信号ＳＰＨ３、ＳＰＨ４についても同様である。

【0017】

積分処理回路９３４は、積分回路９３４ａ、９３４ｂ、９３４ｃ、９３４ｄを有する。積分回路９３４ａは、信号ＳＩＮＴ１、ＳＰＨ１に基づいて積分処理を行い、電圧ＱＡ１を出力する。積分回路９３４ｂは、信号ＳＩＮＴ１、ＳＰＨ２に基づいて積分処理を行い、電圧ＱＡ２を出力する。積分回路９３４ｃは、信号ＳＩＮＴ２、ＳＰＨ３に基づいて積分処理を行い、電圧ＱＡ３を出力する。積分回路９３４ｄは、信号ＳＩＮＴ２、ＳＰＨ４に基づいて積分処理を行い、電圧ＱＡ４を出力する。

【0018】

測定回路９３５は、Ａ／Ｄ変換回路９３５ａ（アナログ／デジタル変換回路）と、時間差情報演算回路９３５ｂと、を有する。Ａ／Ｄ変換回路９３５ａは、各電圧ＱＡ１、ＱＡ２、ＱＡ３、ＱＡ４をＡ／Ｄ変換する。時間差情報演算回路９３５ｂは、Ａ／Ｄ変換回路９３５ａから入力されたデジタル信号（電圧ＱＡ１、ＱＡ２、ＱＡ３、ＱＡ４のデジタル値）に基づいて時間差情報ＴＭＤを演算する。なお、時間差情報ＴＭＤは、第１信号ＳＴＡと第２信号ＳＴＰの遷移タイミングの時間差を示す。

【0019】

演算回路９３６は、時間デジタル変換回路９３２から入力された時間差情報ＴＭＤおよびカウンター回路９３１から入力されたカウントデータＣｎｔＭ、ＣｎｔＴに基づく演算を行い、周波数情報ＦＲＤを求める。カウントデータＣｎｔＭは、外部クロック信号ＥＸＩＮの周期を分解能とする時間に相当し、カウントデータＣｎｔＴは、クロック信号ＣＬＫの周期を分解能とする時間に相当する。演算回路９３６は、これらに加えてクロック周期より小さい時間分解能で測定された時間差情報ＴＭＤを用いることにより、クロック信号ＣＬＫの周期を基準とした外部クロック信号ＥＸＩＮの周期を正確に測定することができる。なお、周波数情報ＦＲＤは、周波数を示す情報であり、具体的には周波数が符号化されたデジタル値である。周波数情報ＦＲＤは、基準となるクロック信号ＣＬＫの周波数に対する相対的な外部クロック信号ＥＸＩＮの周波数であり、例えば、クロック信号ＣＬＫの周波数に対する外部クロック信号ＥＸＩＮの周波数の比である。

【0020】

また、測定デバイス１は、さらに、インターフェース回路９４を有する。このようなインターフェース回路９４は、外部端子７４４を介して測定デバイス１の外部に設けられる図示しない処理装置との通信を行う。これにより、周波数情報ＦＲＤを処理装置に送信することができる。インターフェース回路の通信方式としては、シリアル通信、パラレル通信等の種々の通信方式を採用することができる。

【0021】

また、測定デバイス１は、さらに、上述した回路と独立または連動して動作する温度制御回路９５を有する。温度制御回路９５は、温度センサー９５１、発熱回路９５２および制御回路９５３を有する。温度センサー９５１は、振動素子２の温度を検出し、発熱回路９５２は、発熱して振動素子２を加熱する。また、制御回路９５３は、温度センサー９５１の出力信号に基づいて発熱回路９５２の抵抗を流れる電流量を制御し、振動素子２を所定温度範囲、好ましくは一定温度に保つ。例えば、制御回路９５３は、温度センサー９５１の出力信号から判定される現在の温度が設定された基準温度よりも低い場合には、発熱回路９５２の抵抗に所望の電流を流し、現在の温度が基準温度よりも高い場合には発熱回路９５２の抵抗に電流が流れないように制御する。また、例えば、制御回路９５３は、現在の温度と目標温度との差に応じて発熱回路９５２の抵抗を流れる電流量を増減させるように制御する。

【0022】

以上のような回路構成を備える測定デバイス１によれば、測定デバイス１が生成したクロック信号ＣＬＫを外部に出力すると共に、外部から測定デバイス１に入力される外部クロック信号ＥＸＩＮの周波数をクロック信号ＣＬＫの周波数に基づいて測定し、外部クロック信号ＥＸＩＮの周波数を示す周波数情報ＦＲＤを求める。これにより、周波数情報ＦＲＤを用いた様々なシステム、例えば、外部クロック信号ＥＸＩＮと同一周波数のクロック信号ＣＬＫを生成する周波数同期システム、外部クロック信号ＥＸＩＮの周波数を逓倍した周波数のクロック信号ＣＬＫを生成するＦＬＬ（Frequency Locked Loop）、外部クロック信号ＥＸＩＮまたはクロック信号ＣＬＫの異常を検出する異常検出システム等を構築することができる。

【0023】

特に、測定デバイス１は、上述した温度制御回路９５を有しており、温度制御回路９５によって振動素子２が所定温度範囲、好ましくは一定温度に保たれる。そのため、発振回路９１から出力される周波数信号の周波数変動が抑えられ、ＰＬＬ回路９２から周波数変動の少ない、好ましくは周波数が一定の安定したクロック信号ＣＬＫが出力される。したがって、外部クロック信号ＥＸＩＮの周波数を高精度に測定することができる。

【0024】

以上、測定デバイス１の回路構成について詳細に説明した。次に、測定デバイス１の構成について詳細に説明する。図２に示すように、測定デバイス１は、測定対象である外部クロック信号ＥＸＩＮの周波数を測定するためのデバイスであり、振動素子２と、温度制御回路素子３と、発振回路素子４と、測定回路素子５と、これら各部が実装されたパッケージ７と、を有する。また、測定回路素子５は、第１測定回路素子５１と、第２測定回路素子５２と、を有する。測定回路素子５を第１測定回路素子５１と第２測定回路素子５２とに分けて構成することにより、測定デバイス１の設計自由度が高まる。このような測定デバイス１では、上述したように、温度制御回路素子３を用いて振動素子２を所定温度範囲内に保つことにより測定特性が安定し、高い精度で外部クロック信号ＥＸＩＮの周波数を測定することができる。

【0025】

図２に示すように、パッケージ７は、ベース７１と、リッド７２と、を有する。ベース７１は、箱状をなし、第１面としての上面７ａに開口する第１凹部７１１と、上面７ａと表裏関係にある第２面としての下面７ｂに開口する第２凹部７１２と、を有する。このような構成によれば、第１凹部７１１と第２凹部７１２とをＺ軸方向に重ねて形成することができるため、パッケージ７の平面視での広がりが抑えられ、測定デバイス１の小型化を図ることができる。リッド７２は、板状をなし、第１凹部７１１の開口を塞ぐようにして、シールリング、低融点ガラス等の封止部材７３を介してベース７１の上面７ａに接合されている。これにより、第１凹部７１１が気密封止され、パッケージ７内に収容空間Ｓが形成される。一方、第２凹部７１２の開口は、封止されておらず、パッケージ７の外部に臨んでいる。

【0026】

なお、ベース７１およびリッド７２の構成材料としては、それぞれ、特に限定されないが、例えば、ベース７１をアルミナ、チタニア等の各種セラミック材料で構成し、リッド７２をコバール等の各種金属材料で構成することができる。

【0027】

また、第１凹部７１１は、上面７ａに開口する凹部７１１ａと、凹部７１１ａの底面に開口し、凹部７１１ａよりも開口が小さい凹部７１１ｂと、凹部７１１ｂの底面に開口し、凹部７１１ｂよりも開口が小さい凹部７１１ｃと、を有する。そして、凹部７１１ａの底面に振動素子２が配置され、凹部７１１ｃの底面に温度制御回路素子３、発振回路素子４および第２測定回路素子５２が配置されている。つまり、振動素子２、温度制御回路素子３、発振回路素子４および第２測定回路素子５２が収容空間Ｓに収容されている。残りの第１測定回路素子５１は、第２凹部７１２の底面に配置されている。

【0028】

収容空間Ｓは、気密であり、減圧状態、好ましくはより真空に近い状態である。これにより、パッケージ７の断熱性が高まる。また、温度制御回路素子３の熱が逃げ難くなり加熱効率が高まる。そのため、パッケージ７内の温度が安定すると共に省電力化を図ることもできる。ただし、収容空間Ｓの雰囲気は、特に限定されない。

【0029】

また、ベース７１には、凹部７１１ａの底面に配置された複数の内部端子７４１と、凹部７１１ｂの底面に配置された複数の内部端子７４２と、第２凹部７１２の底面に配置された複数の内部端子７４３と、下面７ｂに配置された複数の外部端子７４４と、を有する。これら端子は、所望の回路が構成されるようにベース７１内に形成された図示しない内部配線を介して電気的に接続されている。また、各内部端子７４１は、導電性の接合部材Ｂ１およびボンディングワイヤーＢＷ１を介して振動素子２と電気的に接続され、各内部端子７４２は、ボンディングワイヤーＢＷ２を介して温度制御回路素子３、発振回路素子４または第２測定回路素子５２と電気的に接続されている。また、各内部端子７４３は、図示しない導電性の接合部材を介して第１測定回路素子５１と電気的に接続されている。

【0030】

≪振動素子２≫
振動素子２は、ＳＣカット水晶振動素子である。ＳＣカット水晶振動素子は、三次の周波数温度特性を有するため、周波数安定性に優れた振動素子２となる。特に、ＳＣカット水晶振動素子は、変極点が９４℃付近にあるため、振動素子２を加熱して使用する本実施形態に適している。図３に示すように、振動素子２は、ＳＣカットで切り出された平面視で矩形の水晶基板２１と、上面の中央部に配置された励振電極２２１と、励振電極２２１から引き出され上面の縁部に配置されたパッド電極２２２と、下面の中央部に励振電極２２１と対向配置された励振電極２３１と、励振電極２３１から引き出され下面の縁部に配置されたパッド電極２３２と、を有する。

【0031】

以上、振動素子２について説明したが、その構成は、特に限定されない。例えば、水晶基板２１の平面視形状は、矩形に限定されず、円形、楕円形、半円形、その他の多角形であってもよい。また、振動素子２は、例えば、ＡＴカット水晶振動素子であってもよい。ＡＴカット水晶振動素子は、三次の周波数温度特性を有するため、ＳＣカット水晶振動素子と同様、周波数安定性に優れた振動素子２となる。特に、ＡＴカット水晶振動素子は、ＳＣカット水晶振動子よりも需要が高く流通量も多いため、測定デバイス１の低コスト化を図ることがでる。

【0032】

このような振動素子２は、その端部において、凹部７１１ａの底面に接合部材Ｂ１を介して固定されている。また、各パッド電極２２２、２３２が接合部材Ｂ１およびボンディングワイヤーＢＷ１を介して内部端子７４１と電気的に接続されている。ただし、振動素子２の固定方法や電気接続方法は、特に限定されない。

【0033】

≪発振回路素子４≫
図２および図４に示すように、発振回路素子４は、凹部７１１ｃの底面に配置され、ボンディングワイヤーＢＷ２を介して内部端子７４２と電気的に接続されている。また、図５に示すように、発振回路素子４は、上述した発振回路９１を有する。

【0034】

≪第２測定回路素子５２≫
図２および図４に示すように、第２測定回路素子５２は、凹部７１１ｃの底面に配置され、ボンディングワイヤーＢＷ２を介して内部端子７４２と電気的に接続されている。また、図５に示すように、第２測定回路素子５２は、上述したＰＬＬ回路９２、周波数測定回路９３およびインターフェース回路９４のうち、Ａ／Ｄ変換回路９３５ａを除く各部を有する。つまり、第２測定回路素子５２は、第１カウンター９３１ａ、第２カウンター９３１ｂ、積分期間信号生成回路９３３ａ、９３３ｃ、極性切替信号生成回路９３３ｂ、９３３ｄと、積分回路９３４ａ、９３４ｂ、９３４ｃ、９３４ｄ、時間差情報演算回路９３５ｂ、演算回路９３６およびインターフェース回路９４を有する。

【0035】

≪第１測定回路素子５１≫
図２に示すように、第１測定回路素子５１は、第２凹部７１２の底面に配置され、図示しない導電性の接合部材を介して内部端子７４３と電気的に接続されている。また、図５に示すように、第１測定回路素子５１は、周波数測定回路９３のうち、第２測定回路素子５２に含まれていないＡ／Ｄ変換回路９３５ａを有する。このように、Ａ／Ｄ変換回路９３５ａを第２測定回路素子５２とは別の素子で構成することにより、測定デバイス１に求められる測定精度に合わせてＡ／Ｄ変換回路９３５ａだけを変更することができる。具体的には、例えば、測定デバイス１に求められる分解能に合うビット数のＡ／Ｄ変換回路９３５ａを選択して実装することができる。そのため、求められる測定精度に合わせた測定デバイス１を容易に製造することができる。

【0036】

≪温度制御回路素子３≫
図２および図４に示すように、温度制御回路素子３は、凹部７１１ｃの底面に配置され、ボンディングワイヤーＢＷ２を介して内部端子７４２と電気的に接続されている。また、図５に示すように、温度制御回路素子３は、温度制御回路９５を有する。つまり、温度制御回路素子３は、温度センサー９５１、発熱回路９５２および制御回路９５３を有する。本実施形態では、温度制御回路素子３が振動素子２と同じ空間に収容されているため、温度センサー９５１が検出する振動素子２の温度と実際の振動素子２の温度との誤差が小さくなる。そのため、振動素子２をより精度よく、所定温度範囲内、好ましくは一定の温度に維持することができる。

【0037】

また、温度制御回路素子３は、振動素子２だけではなく、他の回路素子つまり発振回路素子４、第１測定回路素子５１および第２測定回路素子５２を加熱することができ、これらを所定温度範囲内、好ましくは一定の温度に維持することができる。これら発振回路素子４、第１測定回路素子５１および第２測定回路素子５２も温度特性を有する場合があるため、これら各回路素子３、５１、５２を所定温度範囲内、好ましくは一定の温度に維持することにより、各回路素子３、５１、５２の特性が安定し、さらに高い精度で外部クロック信号ＥＸＩＮの周波数を測定することができる。

【0038】

特に、本実施形態では、第１凹部７１１の底部に温度制御回路素子３、発振回路素子４および第２測定回路素子５２が配置され、第２凹部７１２の底部に第１測定回路素子５１が配置されている。言い換えると、第１凹部７１１と第２凹部７１２との間にある板状の板部７１３に温度制御回路素子３と共に、発振回路素子４および第１、第２測定回路素子５１、５２が配置されている。そのため、温度制御回路素子３から生じる熱が板部７１３を介して発振回路素子４および第１、第２測定回路素子５１、５２に伝わり易くなる。このため、発振回路素子４および第１、第２測定回路素子５１、５２の温度がそれぞれ安定し、それに伴ってこれらの回路特性も安定する。したがって、外部クロック信号ＥＸＩＮの周波数をさらに精度よく測定することができる。

【0039】

以上、測定デバイス１について説明した。このような測定デバイス１は、前述したように、振動素子２と、振動素子２を加熱する温度制御回路素子３と、振動素子２を発振させる発振回路素子４と、発振回路素子４が出力する発振信号に基づいて測定対象である外部クロック信号ＥＸＩＮの周波数を測定する測定回路素子５と、振動素子２、温度制御回路素子３、発振回路素子４および測定回路素子５が実装されているパッケージ７と、を有する。また、パッケージ７は、気密封止されている収容空間Ｓを有し、収容空間Ｓに少なくとも振動素子２および温度制御回路素子３が収容されている。このような構成によれば、温度制御回路素子３によって振動素子２を加熱し、振動素子２を所定温度範囲内、好ましくは一定温度に保つことにより、発振回路素子４から出力される発振信号がより安定する。そのため、測定対象を精度よく測定することができる。

【0040】

また、前述したように、パッケージ７は、第１面である上面７ａに開口する第１凹部７１１および上面７ａと表裏関係にある第２面である下面７ｂに開口する第２凹部７１２を有するベース７１と、上面７ａに接合され第１凹部７１１の開口を覆って収容空間Ｓを形成するリッド７２と、を有する。これにより、パッケージ７の平面視での広がりが抑えられ、測定デバイス１の小型化を図ることができる。

【0041】

また、前述したように、測定回路素子５は、Ａ／Ｄ変換回路９３５ａを含む第１測定回路素子５１と、発振信号（本実施形態では、発振信号から生成したクロック信号ＣＬＫ）およびＡ／Ｄ変換回路９３５ａから出されるデジタル信号に基づいて外部クロック信号ＥＸＩＮの周波数を測定する第２測定回路素子５２と、を有する。そして、第１凹部７１１に振動素子２、温度制御回路素子３、発振回路素子４および第２測定回路素子５２が配置され、第２凹部７１２に第１測定回路素子５１が配置されている。このように、測定回路素子５を第１測定回路素子５１と第２測定回路素子５２とに分けて構成することにより、測定デバイス１の設計自由度が高まる。

【0042】

また、前述したように、第１凹部７１１の底部に温度制御回路素子３および第２測定回路素子５２が配置され、第２凹部７１２の底部に第１測定回路素子５１が配置されている。これにより、温度制御回路素子３から生じる熱がベース７１を介して第１、第２測定回路素子５１、５２に伝わり易くなる。このため、第１、第２測定回路素子５１、５２の温度が共に安定し、それに伴ってこれらの回路特性も安定する。したがって、外部クロック信号ＥＸＩＮの周波数をさらに精度よく測定することができる。

【0043】

また、前述したように、測定対象は、外部から入力される信号である外部クロック信号ＥＸＩＮの周波数である。これにより、周波数情報ＦＲＤを用いた様々なシステムに適用可能な測定デバイス１となる。したがって、大きな需要を見込める測定デバイス１となる。

【0044】

＜第２実施形態＞
図６は、第２実施形態に係る測定デバイスの断面図である。

【0045】

本実施形態に係る測定デバイス１は、測定回路素子５が１つの素子で構成されていること以外は、前述した第１実施形態の測定デバイス１と同様である。なお、以下の説明では、本実施形態の測定デバイス１に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、本実施形態の図では、前述した実施形態と同様の構成について、同一符号を付している。

【0046】

図６に示すように、本実施形態の測定デバイス１では、測定回路素子５が１つの素子で構成されており、第２凹部７１２の底面に配置されている。このような測定回路素子５には、ＰＬＬ回路９２、周波数測定回路９３およびインターフェース回路９４が含まれている。このように、測定回路素子５を第２凹部７１２の底面に配置することにより、例えば、前述した第１実施形態と比べて収容空間Ｓを小さくすることができる。そのため、温度制御回路素子３による加熱効率が高まり、収容空間Ｓの温度が安定すると共に省電力化を図ることができる。

【0047】

以上のように、本実施形態の測定デバイス１では、第１凹部７１１に振動素子２、温度制御回路素子３、発振回路素子４が配置され、第２凹部７１２に測定回路素子５が配置されている。このような構成によれば、例えば、前述した第１実施形態と比べて収容空間Ｓを小さくすることができる。そのため、温度制御回路素子３による加熱効率が高まり、収容空間Ｓの温度が安定すると共に省電力化を図ることができる。

【0048】

以上のような第２実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の構成を発揮することができる。

【0049】

＜第３実施形態＞
図７は、第３実施形態に係る測定デバイスの断面図である。図８は、ＰＬＬ回路のブロック図である。

【0050】

本実施形態に係る測定デバイス１は、測定回路素子５が１つの素子で構成されていること、ＰＬＬ回路９２の構成が異なること、電圧制御型水晶発振器６をさらに備えていること以外は、前述した第１実施形態の測定デバイス１と同様である。なお、以下の説明では、本実施形態の測定デバイス１に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、本実施形態の各図では、前述した実施形態と同様の構成について、同一符号を付している。

【0051】

図７に示すように、本実施形態の測定デバイス１では、測定回路素子５が凹部７１１ｃの底面に配置され、ボンディングワイヤーＢＷ２を介して内部端子７４２と電気的に接続されている。このような測定回路素子５には、ＰＬＬ回路９２、周波数測定回路９３およびインターフェース回路９４が含まれている。さらに、測定デバイス１は、第２凹部７１２の底面に配置され、図示しない導電性の接合部材を介して内部端子７４３と電気的に接続された電圧制御型水晶発振器６を有する。電圧制御型水晶発振器６は、水晶振動素子６２と、水晶振動素子６２を発振させる発振回路を備えた発振回路素子６３と、水晶振動素子６２および発振回路素子６３を収容するパッケージ６１と、を有する。

【0052】

また、図８に示すように、ＰＬＬ回路９２は、第１位相比較器９２１と、第１ローパスフィルター９２２と、電圧制御型発振器９２３と、第１分周器９２４と、第２位相比較器９２６と、第２ローパスフィルター９２７と、第２分周器９２８と、出力バッファー回路９２５と、を有する。

【0053】

第１位相比較器９２１は、発振回路９１から出力される周波数信号と第１分周器９２４から出力される周波数信号との間の位相差を検出し、第１ローパスフィルター９２２に出力する。第１ローパスフィルター９２２は、第１位相比較器９２１からの出力信号から高周波成分を除去し、電圧に変換して電圧制御型発振器９２３を制御する直流信号として出力する。第１分周器９２４は、電圧制御型発振器９２３から出力される周波数信号を分周した周波数信号を第１位相比較器９２１に出力する。

【0054】

なお、第１分周器９２４は、例えば、整数の分周比を切り替えて平均的に小数の分周比とすることにより、小数の分周比を設定可能である。これにより、第１位相比較器９２１、第１ローパスフィルター９２２、電圧制御型発振器９２３および第１分周器９２４で構成される前段のＰＬＬ回路部分は、小数分周ＰＬＬ回路（フラクショナルＰＬＬ回路）として機能する。その結果、小数分周ＰＬＬ回路では、任意の周波数の信号を出力することが可能になる。

【0055】

第２位相比較器９２６は、電圧制御型発振器９２３から出力される周波数信号と第２分周器９２８から出力される周波数信号との間の位相差を検出し、第２ローパスフィルター９２７に出力する。第２ローパスフィルター９２７は、第２位相比較器９２６からの出力信号から高周波成分を除去し、電圧に変換して電圧制御型水晶発振器６を制御する直流信号を出力する。第２分周器９２８は、電圧制御型水晶発振器６から出力される周波数信号を分周した周波数信号を第２位相比較器９２６に出力する。

【0056】

なお、第２分周器９２８は、例えば、入力された信号を整数分周する整数分周器である。これにより、第２位相比較器９２６、第２ローパスフィルター９２７、電圧制御型水晶発振器６および第２分周器９２８で構成される後段のＰＬＬ回路部分は、整数分周ＰＬＬ回路（インテジャーＰＬＬ回路）として機能する。整数分周ＰＬＬ回路では、位相ノイズが比較的少なく、回路構成も比較的単純な回路とすることができる。

【0057】

そして、電圧制御型水晶発振器６からは、直流信号の電圧に応じた周波数信号が出力バッファー回路９２５に向けて出力され、出力バッファー回路９２５からクロック信号ＣＬＫが出力される。つまり、ＰＬＬ回路９２は、水晶振動素子６２を発振させて、発振回路９１から出力された周波数信号に基づいて周波数が制御されたクロック信号ＣＬＫを生成する。これにより、さらに安定したクロック信号ＣＬＫを生成することができる。

【0058】

以上のような第３実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の構成を発揮することができる。なお、本実施形態では、前述したように、電圧制御型水晶発振器６が発振回路を有するが、これに限定されず、ＰＬＬ回路９２が発振回路を有していてもよい。つまり、測定回路素子５に発振回路が含まれていてもよい。この場合、パッケージ６１から発振回路素子６３を省略することができるため、本実施形態と比べて電圧制御型水晶発振器６の小型化を図ることができる。

【0059】

＜第４実施形態＞
図９は、第４実施形態に係る測定デバイスの断面図である。

【0060】

本実施形態に係る測定デバイス１は、パッケージ７の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態の測定デバイス１と同様である。なお、以下の説明では、本実施形態の測定デバイス１に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、本実施形態の図では、前述した実施形態と同様の構成について、同一符号を付している。

【0061】

図９に示すように、本実施形態のパッケージ７では、第１凹部７１１および第２凹部７１２が共にベース７１の上面７ａに開口している。

【0062】

このような第４実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。

【0063】

＜第５実施形態＞
図１０は、第５実施形態に係る測定デバイスの断面図である。図１１は、測定デバイスの変形例を示す断面図である。

【0064】

本実施形態に係る測定デバイス１は、パッケージ７の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態の測定デバイス１と同様である。なお、以下の説明では、本実施形態の測定デバイス１に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、本実施形態の各図では、前述した実施形態と同様の構成について、同一符号を付している。

【0065】

図１０に示すように、本実施形態のパッケージ７では、第２凹部７１２が省略されており、凹部としての第１凹部７１１だけが形成されている。そして、収容空間Ｓ内に、振動素子２、温度制御回路素子３、発振回路素子４、測定回路素子５（第１測定回路素子５１および第２測定回路素子５２）が収容されている。このような構成によれば、温度制御回路素子３と同じ空間に、発振回路素子４および第１、第２測定回路素子５１、５２が配置されるため、これら回路素子４、５１、５２の温度がより安定し、それに伴って回路特性もより安定する。したがって、外部クロック信号ＥＸＩＮの周波数をさらに精度よく測定することができる。

【0066】

以上のように、本実施形態の測定デバイス１では、パッケージ７は、上面７ａに開口する第１凹部７１１を有するベース７１と、上面７ａに接合され第１凹部７１１の開口を覆って収容空間Ｓを形成するリッド７２と、を有し、第１凹部７１１に振動素子２、温度制御回路素子３、発振回路素子４および測定回路素子５が配置されている。このような構成によれば、各部の温度が安定し、それに伴って回路特性も安定する。したがって、外部クロック信号ＥＸＩＮの周波数をさらに精度よく測定することができる。

【0067】

このような第５実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。なお、本実施形態では、前述したように、測定回路素子５が第１測定回路素子５１および第２測定回路素子５２の２つの素子で構成されているが、これに限定されず、例えば、前述した第２実施形態と同様に１つの素子で構成されていてもよい。また、図１１に示すように、少なくとも１つの回路素子が他の回路素子と重なって配置されていてもよい。図示の例では、第１測定回路素子５１が温度制御回路素子３、発振回路素子４および第２測定回路素子５２と重なるように配置されていてもよい。

【0068】

＜第６実施形態＞
図１２は、第６実施形態に係る測定デバイスの回路構成を示すブロック図である。

【0069】

本実施形態に係る測定デバイス１は、測定対象が異なることと、それに応じて測定回路素子５の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態の測定デバイス１と同様である。なお、以下の説明では、本実施形態の測定デバイス１に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、本実施形態の図では、前述した実施形態と同様の構成について、同一符号を付している。

【0070】

本実施形態の測定デバイス１は、測定対象として、外部クロック信号ＥＸＩＮの電圧を測定する。これにより、様々なシステムに適用可能な測定デバイス１となる。したがって、大きな需要を見込める測定デバイス１となる。

【0071】

図１２に示すように、測定デバイス１は、クロック信号ＣＬＫを用いて外部クロック信号ＥＸＩＮの電圧を測定する電圧測定回路９７を有する。電圧測定回路９７は、Ａ／Ｄ変換回路９７１と、演算回路９７２と、を有する。Ａ／Ｄ変換回路９７１は、外部クロック信号ＥＸＩＮの電圧をＡ／Ｄ変換する。演算回路９７２は、Ａ／Ｄ変換回路９７１から入力されたデジタル信号とＰＬＬ回路９２から入力されたクロック信号ＣＬＫとに基づいて目的の時刻における外部クロック信号ＥＸＩＮの電圧を測定する。測定デバイス１では、安定したクロック信号ＣＬＫが生成されるため目的の時刻から実際の測定時刻がずれ難いため、外部クロック信号ＥＸＩＮの電圧を精度よく測定することができる。

【0072】

また、本実施形態の測定デバイス１では、第２測定回路素子５２がＰＬＬ回路９２、演算回路９７２およびインターフェース回路９４を含み、第１測定回路素子５１がＡ／Ｄ変換回路９７１を含む。

【0073】

以上のように、本実施形態の測定デバイス１では、測定対象は、外部から入力される信号である外部クロック信号ＥＸＩＮの電圧である。これにより、様々なシステムに適用可能な測定デバイス１となる。したがって、大きな需要を見込める測定デバイス１となる。

【0074】

このような第６実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。

【0075】

以上、本発明の測定デバイスを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、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。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、各実施形態を適宜組み合わせてもよい。

【符号の説明】

【0076】

１…測定デバイス、２…振動素子、２１…水晶基板、２２１…励振電極、２２２…パッド電極、２３１…励振電極、２３２…パッド電極、３…温度制御回路素子、４…発振回路素子、５…測定回路素子、５１…第１測定回路素子、５２…第２測定回路素子、６…電圧制御型水晶発振器、６１…パッケージ、６２…水晶振動素子、６３…発振回路素子、７…パッケージ、７ａ…上面、７ｂ…下面、７１…ベース、７１１…第１凹部、７１１ａ…凹部、７１１ｂ…凹部、７１１ｃ…凹部、７１２…第２凹部、７１３…板部、７２…リッド、７３…封止部材、７４１…内部端子、７４２…内部端子、７４３…内部端子、７４４…外部端子、９１…発振回路、９２…ＰＬＬ回路、９２１…第１位相比較器、９２２…第１ローパスフィルター、９２３…電圧制御型発振器、９２４…第１分周器、９２５…出力バッファー回路、９２６…第２位相比較器、９２７…第２ローパスフィルター、９２８…第２分周器、９３…周波数測定回路、９３１…カウンター回路、９３１ａ…第１カウンター、９３１ｂ…第２カウンター、９３２…時間デジタル変換回路、９３３…信号生成回路、９３３ａ…積分期間信号生成回路、９３３ｂ…極性切替信号生成回路、９３３ｃ…積分期間信号生成回路、９３３ｄ…極性切替信号生成回路、９３４…積分処理回路、９３４ａ…積分回路、９３４ｂ…積分回路、９３４ｃ…積分回路、９３４ｄ…積分回路、９３５…測定回路、９３５ａ…Ａ／Ｄ変換回路、９３５ｂ…時間差情報演算回路、９３６…演算回路、９４…インターフェース回路、９５…温度制御回路、９５１…温度センサー、９５２…発熱回路、９５３…制御回路、９７…電圧測定回路、９７１…Ａ／Ｄ変換回路、９７２…演算回路、Ｂ１…接合部材、ＢＷ１…ボンディングワイヤー、ＢＷ２…ボンディングワイヤー、ＣＬＫ…クロック信号、ＣｎｔＭ…カウントデータ、ＣｎｔＴ…カウントデータ、ＥＸＩＮ…外部クロック信号、ＦＲＤ…周波数情報、ＱＡ１…電圧、ＱＡ２…電圧、ＱＡ３…電圧、ＱＡ４…電圧、Ｓ…収容空間、ＳＩＮＴ１…信号、ＳＩＮＴ２…信号、ＳＰＨ１…信号、ＳＰＨ２…信号、ＳＰＨ３…信号、ＳＰＨ４…信号、ＳＴＡ…第１信号、ＳＴＰ…第２信号、ＴＭＤ…時間差情報

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】