Top > 技術情報メモ 目次 2012.8.3      
  ★  標準時刻  ･･･ 時間の定義 （JST、UT、UTC、GPS時刻、うるう秒）、時間の歴史
  ★  時刻･周波数標準機器  ･･･ 発振器の比較、標準信号の伝送 （HF、LF、LORAN-C、GPS）
        ★  水晶発振器  ･･･ 超高安定水晶発振器の歴史
        ★  原子周波数標準器  ･･･ 歴史、原子時計の比較、ルビジウム原子周波数標準、セシウム原子周波数標準、
　　　水素メーザ周波数標準、これからの原子時計
  ★  評価方法、 評価例  ･･･ 安定度と確度、アラン分散
 超高性能水晶発振器の歴史
   「Proceedings of the 1996 IEEE International Frequency Control Symposium, pp. 47-57.
       BRIEF HISTORY OF THE DEVELOPMENT OF ULTRA-PRECISE OSCILLATORS FOR GROUND AND SPACE APPLICATIONS」より、
 高性能水晶発振器の起源：
 1880年  Pierre and Jacques Curie(仏)  圧電効果（ピエゾ効果）を発見。1881年Gabriel Lippmann(仏)が数学的に立証
 1917年  P.Langevin(仏)  圧電効果を初めて応用した潜水艦探知用ソナーを開発
 1921年  W.G.Cady（米)  水晶を用いた発振回路を初めて開発
 1924年  G.W.Pierce（米）  現代の水晶発振回路の原型となる水晶発振回路を発明し、特許を取得
 1932年  古賀逸策(1988.12.5－1982.9.2）  ATカット水晶振動子（恒温槽を必要としない水晶振動子R1板(AT)、R2板(BT)）の発明
 1952年  ベル研究所  Arthur W. Warnerが2.5MHzと５MHzのＡＴカットの水晶振動子「Warner resonator」を開発
 Warner resonator ： Ｑ＝10E6 以上、周波数安定度＝5 x 10E-12／24時間、製造技術を確立、
                      温度安定度＝1 x 10E-7、ＡＴカット、５ＭＨｚ（５次オーバートーン）、ＨＣ６メタルケース
 1958年  近代の水晶振動子を用いた周波数標準器の原型となる発振器を開発
 1957年  スプートニクが打ち上げられ宇宙開発競争の時代が始まる。
　宇宙開発の種々の用途に超高性能な発振器が用いられた。
　海軍の航行支援衛星システムに始まり、現代のＧＰＳシステムにも用いられている。
 真空管式発振器：
   Western Electric GS-60157 ： 2.5MHz発振器
   Western Electric GS-60158 ： 2.5MHz発振器  Warner resonator方式を使用、3.3 x 10E-11 / 24時間、温度安定度＝1 x 10E-9 以下、          
　　　　                                　発振回路の重量：約２３ｋｇ、容積：７５０００立方cm、消費電力：５０Ｗ
 トランジスタ式発振器：
１９５０年代後半から１９６０年代前半： 真空管に代わる高信頼性、小型、低消費電力の発振器が開発される。                 
      １９４８年　･･･ ゲルマニウムトランジスタの発明 (Bell Telephon Laboratories John Barden とWalter Brattain)
      １９４９年　･･･ 接合型トランジスタの理論を発明 (William Shocklay)
１９５３年  G. Sulzer　トランジスタ式周波数標準器と各種発振回路について発表　100kHz、ATカット水晶、1.4x10-9／24H
１９５４年  最初の商用の全トランジスタ発振器　・・・　Sulzer Laboratories設計、James Knight Company販売
　   「JK-Sulzer Frequency Standard model FS-1100T」
　　        使用水晶振動子：James Knight JK G-12-AS、AT Cut、1MHz、
　　        変形コルピッツ発振回路（Sulzer発振器のトレードマークとなる回路、この時代はPierce発振回路が一般的だった）
　　        5x10-10/24H、2.2x10-11rms/1S、2x10-11/℃、7pound、315in3、消費電力：DC2W　
１９６０年
１９６２年
 Sulzer model  5A
 Sulzer model 2.5A       		 今日の基準からしても、もその性能は際立っている。
1960年代の性能標準器。
DCとACのNFBが掛けられ水晶振動子のDC動作点を
安定に保つようになっている		       
 宇宙用発振器：
１９６０年   TRANSIT 2A　･･･ Bliley Electric BG73A   3MHz、8x10-9/day　･･･ 最初の宇宙用高安定発振器              
　　１５分の可視時間中の周波数変動：2x10-9　･･･ １００ｍ精度で位置決定が可能
　　このために、０～50℃において5x10-8/℃の性能の水晶発振器が必要
　　多層の熱絶縁材と大きな熱容量を持たせることで実現した
　　質量８ポンド、体積：４８in3、消費電力：0.11W
１９６１年  TRANSIT 4B　･･･ JHU/APLにより開発された、より小型・高安定な発振器が用いられた
１９６３年  Sulzer Oscillators (Sulzer Laboratories) キセノンストロボランプのタイミング用に使用された
　　衛星の位置決定のために、星座を背景にして撮影された
１９６３年  Frequency Electronics の発振器が衛星Nimbusに搭載された　　1x10-9/24H
１９７３年  最初の周波数・時刻システムが搭載された衛星　･･･ NST-2　Timation
　　使用水晶：Bliley BG61AH-5S　1x10-10/24H
１９７４年  JHU/APLが機械的、電気的に新しい水晶発振器を設計
　　表面実装部品、Blileyの振動子を使用　チップサイズの発振器
 フェーズノイズ：
１９７０年代にフェーズノイズの重要性が言われだした
１９６９年   Sulzer 1170　その後６年間高いフェーズノイズ性能を保持していた
　　-110dBc/1Hzオフセット、-160dBc/10kHzオフセット、5x10-10/24H、5MHz、５次オーバートーン、ATカット
１９７５年  Austron 1120S　高いレベルで振動子をドライブして実現した。ただし、時間安定度は良くない（5x10-9/24H）          
　　-180dBc/1kHzオフセット
 ＳＣカット：    新しい水晶振動子のカット方法  -->Warnerの設計以降もっとも大きな進展となった
１９７５年   Errol　EerNisse　･･･ stress compensated (SC) cut　
１９７６年  Jack　Kusters　　･･･ thermal transient compensated cut (TTC)
   　　いづれも同じカット方法だがSCカットという名前が一般的となった
　　ＡＴカットより優れた点：
　  　　①発振器の起動時の温度安定度が良い
　  　　②高い駆動レベルで駆動可能　・・・　高Ｓ／Ｎ、高短期安定度
  　　　③周波数の不連続引き起こすActivity　dipがまれにしかない
  　　　④ウォームアップ時間が短く、周波数のオーバーシュートが少ない
　　  　⑤加速度の影響を受けにくい
１９８０年を過ぎて商用生産されるようになった
   HP10811A/B（SCカット）はHP10544B（ATカット）に比べ劇的な温度安定度改善と顕著な短期安定度がみられる
 SCカットにより1x10-13/10s～100sが容易に実現できるようになった     HP10811A/Bシリーズの仕様比較
１９８９年  Ultra-low Noise oscillator　･･･ -120dBc/1Hzオフセット、ノイズフロア：-178dBc、安定度は1x10E-10/24H
 ＢＶＡ発振器：
１９７８年   Raymond Bessonが開発　ＢＶＡの構造上の特徴
  　①電極が振動子の振動面に取り付けられていない。 両面にコンデンサディスクを取り付けて接続している
  　②発振周波数を決定する振動子と、電極と振動子を接続するコンデンサディスク、振動子を取り付けるリングは同一の水晶から切り出される
　性能上の特徴：
　　　①ショックや振動に対して強い
　　　②電離放射の影響を受けにくい
　　　③加速度の影響を受けにくい
　　　④安定度が高い
 BVA : フランス語の「Boitier Vieillissement Ameliore　（Enclosure with Improved Ageing）」の略
１９７８年  ＮＢＳがＡＴカットのBVAで8x10-14を達成
　　　1x10E-13をきる最初の発表
１９８０－
  １９８１年
 Oscilloquartz　model　8601　　･･･ 最初の商用ＢＶＡ発振器
　　ＡＴカット、5MHz、５次オーバートーン、3.5x10-13/10s、5x10-12/24H
　　1980年代後半にSCカット振動子が使われ性能が改善された
　　　　　-137dBc/1Hzオフセット、１～２x10-13 		 　
 新世代の衛星搭載用発振器：
１９８８年   Oscilloquartz製SCカットBVAを用いたTOPEX/POSEIDON用発振器（Type142）をJHU/APLが開発                       
　　　　　　　3.7x10-14/10s、-137dBc/1Hzオフセット
１９９２年  Frequency Electronics EF2138
１９９３年  Frequency and Time System model 9500
 第二世代のＢＶＡ：
１９８９年   Tactical BVA 、10MHz、HC-40ホルダー    ･･･ 小型、振動に強い                                                                  
Table 1.  Oscillators with best Allan variance of the era. 
 Manufacturer

Sulzer

JHU/APL
 Model

2.5A

Type 142
 Output frequency, MHz

2.5

5
 Allan deviation (tau), s

1

5.70 X 10-12

8.38 X 10-14

10

6.10 X 10-13

3 74 X 10-14

100

2.90 X 10-13

6.09 X 10-14
 Year

1962

1993

Table 2.   Chronological comparison of oscillators.
Manufacturer Western Electric JK/Sulzer JHU/APL

Sulzer

 Sulzer Freq & Time Sys Freq Elec JHU/APL
 Model GS-60158 FS-1100T 110

2.5A

 1170 1251 2098A TIP
 Output frequency, MHz 2.5 1 3 2.5 5 5 5 5
 Aging rate/24 hours 3.30 X 10-11 5.00 X 10-10 8.00 X 10-9 <5 X 10-13 5.00 X 10-10 <1 X 10-10 2.70 X 10-11 6.00 X 10-12
               
Short-term
stability,
s

1

   2.2 X 10-11 RMS 6.2 X 10-11 RMS 5.70 X 10-12   1.00 X 10-12 3.00 X 10-12 4.78 X 10-12

10

       6.10 X 10-13   5.00 X 10-13 2.00 X 10-12 3.16 X 10-13

100

   +3 X 10-11 p-p   2.90 X 10-13   1.00 X 10-12 1.50 X 10-12 2.75 X 10-13
 Phase noise  
freq. offset,
Hz

1

         - 110 - 123    

10

         - 147 - 142 - 122 - 129

100

         - 158 - 144 - 132 - 129

1000

         - 159 - 144 - 160 - 133

10000

         - 160 - 144 - 169 - 135
 Temp. coeff./ｰ C <1 X 10-9 +2 X 10-11   <7.20 X 10-12   5.00 X 10-12 1.60 X 10-12 1.37 X 10-12
 Input power, W 50 2 0.11 2.9   2 2.3 0.6
 Mass, 1b 50 7 8 3.5   1.9 2.6 1.1
 Volume, in3 4588.5 315 47.3 283.5 16 62.1 58.57 57.6
 Year 1957 1958 1960 1962 1969 1973 1974 1974

Table 2.   Chronological comparison of oscillators. (continued)
 Manufacturer Austron HP Oscilloquartz JHU/APL Wenzel Freq Elec

JHU/APL

 FTS JHU/APL
 Model 1120S 10811 A/B 8601 Type 140   EF-2138

Type 142

 9500 Type 150
 Output frequency, MHz 5 10 5 5 5 5 5 4 10
 Aging rate/24 hours 5.00 X 109 5.00 X 10-10 3.00 X 10-11 4.00 X 10-12 <1.00 X 10-10 3.00 X 10-11 8.10 X 10-11 5.00 X 10-11 2.6 X 10-12
Short-term
stability,
s

1

 8.00 X 10-12 2.40 X 10-12 1.60 X 10-13 3.50 X 10-13   2.00 X 10-12 8.38 X 10-14 8.00 X 10-13 2.70 X 10-13

10

 1.10 X 10-11 1.30 X 10-12 1.70 X 10-13 8.90 X 10-14   5.00 X 10-13 3.74 X 10-14 2.00 X 10-13 1.60 X 10-13

100

   3.00 X 10-12 1.90 X 10-13 6.60 X 10-14   5.00 X 10-13 6.09 X 10-14 4.00 X 10-13 1.50 X 10-13
 Phase noise 
freq. offset,
Hz

1

 - 110 - 90 - 137 - 121 - 120 - 130 - 137 - 125 - 110

10

 - 150 - 120 - 152 - 139 - 150 - 145 - 149 - 143 - 140

100

 - 174 - 140 - 154 - 147 - 170 - 151 - 155 - 153 - 152

1000

 - 180 - 157 - 155 - 150 - 176 - 151 - 157 - 163 - 158

10000

 - 181 - 160 - 155 - 150 - 178   - 156 - 165 - 158
 Temp. coeff.ｰ C   5.00 X 10-12 3.70 X 10-12 8.60 X 10-13 2.00 X 10-11 2.00 X 10-12 4.30 X 10-13 3.00 X 10-12 8.00 X 10-14
 Input power, W 4.8 2 4.5 0.9 2.5 2.2 1.48 4 0.34
 Mass, 1b 0.75 0.7 1.87 1.7   1.75 4.2 6 0.44
 Volume, in3 21.26 13.71 48.97 44 5.14 33.75 106 221.88 8.66
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