水晶発振回路の負荷容量の決定方法およびそれを用いた電子機器
【課題】本発明の目的は、水晶振動子を用いた発振回路の発振起動時間と負荷容量ＣＬ値の関係を明確にし、所望の発振起動時間から負荷容量ＣＬ値を決定することである。
【解決手段】本発明は、水晶振動子を用いた発振回路において、発振起動時間Ｔｓと発振余裕度Ｍの関係式又は関係グラフを用いて発振余裕度Ｍから発振起動時間Ｔｓ（Ｔｓ０）を求める手段（Ａ）と、発振起動時間Ｔｓと負荷容量ＣＬの関係式、及び駆動電流値Ｉｏｓから、任意の駆動電流値Ｉｏｓにおける発振起動時間Ｔｓと負荷容量ＣＬの関係式を求める手段（Ｂ）と、前記手段（Ｂ）において求められた発振起動時間Ｔｓおよび負荷容量ＣＬの関係式を用いて、前記手段（Ａ）で求められた発振起動時間Ｔｓ０に対応する負荷容量ＣＬを決定する手段（Ｃ）と、を含むことを特徴とする。
【解決手段】本発明は、水晶振動子を用いた発振回路において、発振起動時間Ｔｓと発振余裕度Ｍの関係式又は関係グラフを用いて発振余裕度Ｍから発振起動時間Ｔｓ（Ｔｓ０）を求める手段（Ａ）と、発振起動時間Ｔｓと負荷容量ＣＬの関係式、及び駆動電流値Ｉｏｓから、任意の駆動電流値Ｉｏｓにおける発振起動時間Ｔｓと負荷容量ＣＬの関係式を求める手段（Ｂ）と、前記手段（Ｂ）において求められた発振起動時間Ｔｓおよび負荷容量ＣＬの関係式を用いて、前記手段（Ａ）で求められた発振起動時間Ｔｓ０に対応する負荷容量ＣＬを決定する手段（Ｃ）と、を含むことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低消費電力の水晶発振回路を実現するための方法に関するもので、特に水晶発振回路を構成する負荷容量の決定方法およびそれを用いた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
時計や携帯電話等の携帯機器において、当該機器の無充電による長時間動作や搭載される電池の充電頻度低減化の要求から、当該機器に用いられる水晶振動子等の圧電素子を組み込んだ発振回路の駆動電力の低減や発振回路の待機時（発振回路が発振した状態でかつ無負荷状態の時）における超低消費電力化がますます要求されている。
【０００３】
図３は、水晶振動子を用いた典型的な発振回路であり、反転増幅器となるＣＭＯＳインバータＩＶ０１、ＣＭＯＳインバータＩＶ０１の入力端子ＸＣＩＮと出力端子ＸＣＯＵＴとの間に接続された水晶振動子Ｘ２、ＣＭＯＳインバータＩＶ０１の入力端子ＸＣＩＮと接地電位Ｖssの電源端子との間に接続された負荷容量Ｃgを構成する容量素子、およびＣＭＯＳインバータＩＶ０１の出力端子ＸＣＯＵＴと接地電位Ｖssの電源端子との間に接続された負荷容量Ｃdを構成する容量素子を有している。
【０００４】
また、ＣＭＯＳインバータＩＶ０１は、電源電圧Ｖddが共有される第１の電源端子と、接地電位が供給される第２の電源端子との間に直列接続されたPMOSトランジスタＰＭ１１とＮＭＯＳトランジスタＮＭ１１とからなるＣＭＯＳインバータおよび帰還抵抗Ｒfから構成されている。
ＣＭＯＳインバータＩＶ０１のＰＭＯＳトランジスタＰＭ１1のソースと第１の電源端子との間、およびＣＭＯＳインバータＩＶ０２のＮＭＯＳトランジスタＮＭ１１と第２の電源端子との間には、水晶振動子Ｘ２を励振する駆動電流を制限する駆動電流調整用抵抗素子ｒ１およびｒ２が接続されている。
【０００５】
携帯機器等に搭載する発振回路は近年低消費電力化が要求されているが、そのためには発振回路における水晶振動子の駆動電流を低下させる必要がある。そのためには、発振回路におけるＣＭＯＳインバータの相互コンダクタンスＧｍを小さくすることが考えられる。しかし、相互コンダクタンスＧｍを小さくすると発振回路の発振余裕度Ｍが低下する場合がある。
【０００６】
発振回路の発振余裕度Ｍは次式（１）で与えられる。
Ｍ＝｜−Ｇm｜／｛(ω2Ｃg・Cd)＊(１／Ｒ１(max))｝＝＋ＲＬ／Ｒ１(max)・・・（１）
ωは発振周波数の角周波数、ＲＬは負性抵抗、Ｒ１(max)は水晶振動子の実効抵抗Ｒ１の最大値であり、通常は発振余裕度Ｍは５以上の値が要求される。
【０００７】
上式において水晶振動子の実効抵抗Ｒ１は水晶振動子の小型化の要請から決定される値であるから、余り小さくすることはできない。従って、相互コンダクタンスＧｍを小さくしても発振回路の発振余裕度Ｍを維持するためには、ＣＭＯＳインバータに外付けされる負荷容量を構成するコンデンサの負荷容量Ｃｇおよび／または負荷容量Ｃdの値を小さくすれば良いことが分かる。それを実現するためには、発振回路の水晶振動子は、組み込まれるマイコン等のＩＣに対して要求される低消費電力化の仕様に見合った負荷容量ＣＬを有することが要求される。すなわち、既に出願人は従来から使用されている水晶振動子の負荷容量ＣＬである12.5pFに対して、負荷容量ＣＬの低減すなわち低ＣＬ化（3pF〜5pF）を提案してきた。（特許文献１）
【０００８】
しかしながら、負荷容量ＣＬを小さくすると、負荷容量ＣＬの容量許容差と発振周波数の周波数偏差Δｆの問題が顕著になる。たとえば、負荷容量ＣＬが通常の容量許容差の範囲であるΔＣ（±５％）変化した場合の発振周波数の安定性Δｆ(ppm)は、負荷容量ＣＬが12.5pFのときΔＣが1.25pFで発振周波数の安定性Δｆは7.3ppmとなり、負荷容量ＣＬが6pFのときΔＣが0.6pFで発振周波数の安定性Δｆは13.2ppmとなり、負荷容量ＣＬが3pFのときΔＣが0.3pFで発振周波数の安定性Δｆは20.5ppmとなる。
すなわち、負荷容量ＣＬ(3pF)では、従来の12.5pFの場合よりも2.8倍も周波数偏差が大きくなるので、負荷容量CLの低容量化（低ＣＬ化）を実現するためには、負荷容量ＣＬの容量許容差に対する発振周波数の安定性を向上させる必要がある。
【０００９】
図３における入出力端子間ＸＣＩＮおよびＸＯＵＴ間の水晶振動子側の等価回路を図４に示す。水晶振動子Ｘ２には直列に負荷容量ＣＬが接続されていて、水晶振動子は圧電効果により生ずる機械的共振を等価的に表したインダクタンスＬ１、容量Ｃ１、抵抗Ｒ１の直列共振回路に電極間容量Ｃ0が並列接続した回路として表される。また入出力端子間ＸＣＩＮおよびＸＣＯＵＴ間にはＣＭＯＳ半導体基板や信号配線等により種々の浮遊容量が存在しているが、これらの（合成）浮遊容量をＣsとすると、図５に示すように、負荷容量ＣＬは浮遊容量Ｃsと直列接続された外部（外付け）容量ＣgおよびＣdとの並列接続となっている。
従って、
ＣＬ＝Ｃs＋Ｃg＊Ｃd／（Ｃg＋Ｃd）・・・（２）
となる。
（２）の関係を満足するようなＣＬ値（2pF〜6pF）になるように、発振周波数にマッチングするような外付け容量素子ＣgおよびＣdを選択すれば、発振周波数の安定性を向上できる。すなわち、負荷容量ＣＬは浮遊容量Ｃsと外部容量素子（コンデンサ）Ｃext｛＝Ｃg＊Ｃd／（Ｃg＋Ｃd）｝の和であるため、負荷容量ＣＬと浮遊容量Ｃsとの差にするように、外部容量素子Ｃextの値を選定すれば、（２）式が満足され、水晶振動子の負荷容量ＣＬと、水晶振動子から見た発振回路側の負荷容量がマッチング（整合）することを意味している。
【００１０】
図６は水晶発振回路における駆動電流と負荷容量ＣＬとの関係を示す図である。負荷容量が小さくなると駆動電流は顕著に小さくなることが分かる。たとえば、従来用いられている負荷容量１２．５ｐＦの駆動電流は約１．５μＡであるが、負荷容量２．２ｐＦの駆動電流は０．０７３μＡとなり、駆動電流が約５％に低減している。このように、負荷容量ＣＬを低減することは水晶発振回路の低消費電力化、しいてはその水晶発振回路を用いている電子機器の低電力化に大きく寄与できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００８−２０５６５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
図６から分かるように、負荷容量ＣＬを小さくすると水晶発振回路の低消費電力化を実現できることが分かる。しかし、低ＣＬ化しても発振起動時間Ｔsとの関係が不明なため、実際に使用したときにどのくらいの時間で起動できるかが問題となる。発振するのか、あるいは、所望のＴsを得るためにはどの程度の負荷容量にすれば良いかが分かると設計しやすい。また実際に発振回路にある値の低ＣＬ値を有する水晶振動子を組み込んで使用するときにも安心して使うことができる。従って、発振起動時間Ｔsと負荷容量ＣＬとの関係を知ることが切望されている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の目的は、水晶振動子を用いた発振回路の発振起動時間Ｔｓと負荷容量ＣＬの関係を明確にし、所望の発振起動時間Ｔｓにするためにはどの程度の負荷容量ＣＬを用いれば良いかその方法を提供することである。具体的には以下の方法により行なう。
（１）本発明は、水晶振動子を用いた発振回路の負荷容量ＣＬの決定方法であって、
発振起動時間Ｔｓと発振余裕度Ｍの関係式又は関係グラフを用いて発振余裕度Ｍから発振起動時間Ｔｓ（Ｔｓ０）を求める手段（Ａ）と、
発振起動時間Ｔｓと負荷容量ＣＬの関係式、及び駆動電流値Ｉｏｓから、任意の駆動電流値Ｉｏｓにおける発振起動時間Ｔｓと負荷容量ＣＬの関係式を求める手段（Ｂ）と、
前記手段（Ｂ）において求められた発振起動時間Ｔｓおよび負荷容量ＣＬの関係式を用いて、前記手段（Ａ）で求められた発振起動時間Ｔｓ０に対応する負荷容量ＣＬを決定する手段（Ｃ）と、
を含むことを特徴とする負荷容量ＣＬの決定方法である。
（２）また、本発明において、前記手段（Ａ）における発振起動時間Ｔｓと発振余裕度Ｍの関係式は、Ｍ＝ａ／（Ｔs）b （ａ、ｂは定数）
で示されることを特徴とする。
（３）また、本発明において、前記手段（Ａ）における発振起動時間Ｔｓと発振余裕度Ｍの関係式は、Ｍ＝３．７４（Ｔｓ）-0.70であることを特徴とする。
（４）また、本発明において、前記手段（Ｂ）における発振起動時間Ｔｓと負荷容量ＣＬの関係式は、Ｔｓ＝ｃ＊(ＣＬ)2＋ｄ＊(ＣＬ) ＋ｅ （ｃ、ｄ、ｅは定数）
で示されることを特徴とする。
（５）また、本発明の前記手段（Ｂ）において、
事前に得られた少なくとも２つの駆動電流値Ｉｏｓ（Ｉｏｓ１、Iｏｓ２）における発振起動時間Ｔｓおよび負荷容量ＣＬの関係式は、
Ｔs＝ｃ１＊(ＣＬ)2＋ｄ１＊(ＣＬ)＋ｅ１ （Ｉｏｓ＝Ｉｏｓ１）・・・式（１）
Ｔs＝ｃ２＊(ＣＬ)2＋ｄ２＊(ＣＬ)＋ｅ２ （Ｉｏｓ＝Ｉｏｓ２）・・・式（２）であり、
式（１）および式（２）を用いて
任意の駆動電流値Ｉｏｓのときの発振起動時間Ｔｓと負荷容量ＣＬの関係式
Ｔｓ＝ｃ０＊(ＣＬ)2＋ｄ０＊(ＣＬ)＋ｅ０ （駆動電流値Ｉｏｓが任意の値（Ｉｏｓ０）の場合）・・・式（３）を決定し、
前記手段（Ｃ）において、式（３）および前記手段（Ａ）で求めた発振起動時間Ｔs0から負荷容量ＣＬを決定することを特徴とする。
（６）また、本発明の手段（Ｂ）において、発振起動時間Ｔｓおよび負荷容量ＣＬの関係式は、駆動電流値Ｉｏｓをパラメータとして、
Ｔｓ＝0.0191(ＣＬ)2＋0.0487(ＣＬ)＋0.0623 （Ｉｏｓ＝160ｎＡのとき）・・・式（４）
Ｔｓ＝0.0424(ＣＬ)2−0.0030(ＣＬ)＋0.1240 （Ｉｏｓ＝95ｎＡのとき）・・・式（５）
Ｔｓ＝0.0558(ＣＬ)2＋0.0316(ＣＬ)＋0.1141 （Ｉｏｓ＝70ｎＡのとき）・・・式（６）であり、
使用する発振回路の駆動電流値Ｉｏｓが、Ｉｏｓ≧９５ｎＡのときは式（４）と式（５）を用い、Ｉｏｓ≦９５ｎＡのときは式（５）と式（６）を用いて、任意の駆動電流値Ｉｏｓにおける発振起動時間Ｔｓおよび負荷容量ＣＬの関係式Ｔｓ＝α(ＣＬ)2＋β(ＣＬ)＋γ （駆動電流値Ｉｏｓが任意の値（Ｉｏｓ０）の場合）・・・式（７）を求め（すなわち、式（４）式のα、βおよびγを決定し）、前記手段（Ｃ）において、
前記手段（Ｂ）において求められた式（７）を用いて負荷容量ＣＬを決定することを特徴とする。
（７）また、本発明は、さらに上記の（１）〜（６）に記載した負荷容量ＣＬの決定方法を用いて決定した負荷容量を有する水晶発振回路を搭載した電子機器である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると、発振回路の駆動電流値Ｉosをパラメータとして、発振起動時間Ｔsと負荷容量ＣＬとの間には２次式の関係があることが初めて明らかになった。すなわち、Ｔｓ＝α＊(ＣＬ)2＋β(ＣＬ)＋γ の関係式（α、β、γは定数）が成立されることを初めて発見した。発振余裕度Ｍと発振起動時間Ｔｓとの関係式あるいは関係グラフより、要求値である発振余裕度Ｍ０から必要な発振起動時間Ｔs０が求められ、さらにこのＴs０から本発明者が発見したＴｓ＝α＊(ＣＬ)2＋β(ＣＬ)＋γ の関係式を用いて発振回路の負荷容量ＣＬを決定できる。従って、最初に発振回路の負荷容量ＣＬを決める必要はなく、発振回路の駆動電流Ｉosおよび発振余裕度Ｍという設計値を決めるだけで自動的に発振回路のＣＬ値を決めることができ、設計が非常に容易となる。また、Ｔs値は１．０秒以下となるので、水晶発振回路の低CL化を実現でき、水晶発振回路の低消費電力化、並びにその結果として当該水晶発振回路を組み込んだ電子機器の低消費電力化も実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、種々のＣＬ値を有する発振回路における発振開始時間Ｔs値との関係を発振回路の駆動電流Ｉosをパラメータとして示した図である。
【図２】図２は、水晶振動子を有する発振回路における発振余裕度Ｍと発振起動時間Ｔｓとの関係を示したグラフである。
【図３】図３は、水晶振動子を用いた発振回路を示す図である。
【図４】図４は、図３における入出力端子間ＸＣＩＮおよびＸＯＵＴ間の水晶振動子側の等価回路を示す図である。
【図５】図５は、負荷容量ＣＬを構成する容量を示す図である。
【図６】図６は、水晶発振回路における駆動電流と負荷容量ＣＬとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の目的は、水晶振動子を用いた発振回路の発振起動時間と負荷容量ＣＬ値の関係を明確にし、所望の発振開始時間にするためにはどの程度の負荷容量ＣＬ値を用いれば良いかその方法を提供することである。
【００１７】
発振起動時間とは、水晶振動子を有する発振回路を機器に取り付けて電源を投入してから発振の波形が安定（飽和）するまでの時間を言うが、測定上の観点から正常な波形の振幅の９０％に達するまでの時間と定義する。図２は、種々の水晶振動子を有するいろいろな発振回路における前述の発振余裕度Ｍと発振起動時間Ｔｓとの関係を示した図である。図２から発振起動時間が長くなると発振余裕度Ｍが小さくなることが分かる。この図からもＭを５以上に取らないと発振起動時間が１秒以上と長くなるとともにばらつきが大きくなり、実使用上問題が生じるおそれがある。
【００１８】
図２から、Ｔs＝３．７４Ｍ-0.70の関係式が得られ、相関係数Ｒも0.985と非常に良い相関がある。今回のデータから上記の関係式が得られたが、一般には、
Ｔs＝ａ＊Ｍ-bの関係がある。（ａ、ｂは正の定数）発振余裕度Ｍは発振器の安全性から設計者などが決める値である。ａおよびｂは種々の水晶発振器を有する発振回路から求めることができる。
【００１９】
負荷容量ＣＬを小さくした低ＣＬ発振回路は、発振余裕度を大きく取れるので発振起動時間Ｔｓを小さくできると考えられるが、発振起動時間Ｔｓと負荷容量ＣＬとの関係についてはこれまで余り明確でなかった。そこで本出願人が種々の低ＣＬ値を有する発振回路について発振起動時間Ｔｓを測定したところ、発振起動時間Ｔｓと負荷容量ＣＬとの間には非常に密接な相関関係が存在することを見出した。
【００２０】
図１は、種々の負荷容量ＣＬの値（ただし、７ｐＦ以下の低い負荷容量値）を有する発振回路における発振起動時間Ｔｓの測定値を発振回路の駆動電流値Ｉosをパラメータとしてプロットしたものである。この図から分かるように、駆動電流値Ｉosの大小にかかわらず、発振起動時間Ｔsが短くなると負荷容量ＣＬが減少する。逆に、低い負荷容量ＣＬを用いると発振起動時間Ｔsを短くできる。図２における発振余裕度Ｍとの関係で言えば、低い負荷容量ＣＬを用いると発振余裕度Ｍは大きくなる。このことは、負性抵抗ＲＬ＝−Ｇm／（２ωＣＬ）2の関係から、低ＣＬになると負性抵抗ＲＬが大きくなり、上述の発振余裕度Ｍの定義（１）式に従いＭ＝ＲＬ／Ｒ１maxが増えることからも説明できる。従来の高い負荷容量（ＣＬ＞１０ｐＦ、たとえば、12.5pF）を用いた場合には、駆動電流Ｉosを増やして発振余裕度Ｍを増加させる手法を取っていたため、消費電力の低減が困難であった。しかし、本出願人が追及している低ＣＬ化の手法を用いれば、負荷容量ＣＬの値を小さくして発振余裕度Ｍを増加させることが可能となり、しかも発振起動時間Ｔsを簡単に１秒以下（図１から０．５秒以下も可能）にすることができ、高速起動も実現できる。すなわち、低ＣＬ発振子は高速で省電力な発振回路を容易に実現できる。
【００２１】
図１から、これらの曲線に多項式を近似させるとＩos＝160ｎAのときＴs（sec）＝0.0191ＣＬ2＋0.0487ＣＬ＋0.0623（相関係数Ｒ＝0.9999）、Ｉos＝95ｎAのときＴs（sec）＝0.0424ＣＬ2−0.0030ＣＬ＋0.1240（相関係数Ｒ＝0.9999）、Ｉos＝70ｎAのときＴs（sec）＝0.0558ＣＬ2＋0.0316ＣＬ＋0.1141（相関係数Ｒ＝0.9999）となり、相関関係が非常に強い２次式で示される。すなわち、Ｉosによって関係式の係数は異なるが、Ｔs＝α＊ＣＬ2＋β＊ＣＬ＋γの関係があることが分かった。これは新規の発見であり、この関係式を用いて所望の発振起動時間Ｔsを得るための負荷容量ＣＬの値を決定することができる。図１のグラフからそれぞれの駆動電流において、Ｔs＜0.5secの仕様を満たす非常に高速起動の水晶発振器を実現できる。ただし、発振起動時間Ｔsは発振子の時定数τ0（水晶発振子の場合は0.3sec）を超えないようにしなければならない。
【００２２】
以下、本願発明の具体的方法についてより詳しく説明する。まず、発振回路の駆動電流値Ｉos0と発振余裕度Ｍ0を決定する。これらの値は接続する電子機器（たとえば、携帯電話や電子ブック等の携帯端末機器）によって設計者が適切な値を選定できる。次に図２等のような関係式（又はグラフ）を用いて事前に得られている関係式Ｔs＝ａ＊Ｍ-bより発振起動時間Ｔs（Ｔs0）を求める。すなわち、Ｔs0＝ａ＊Ｍ0-bとなる。自分で得た関係式がなければもちろん、Ｔs＝３．74Ｍ-0.70を用いることもできる。（このときは、Ｔs0＝３．７４Ｍ0-0.70となる。）あるいは、自分の作製した図１のようなＴｓとＭとの関係グラフからおおよそのＴs0を求めても良い。自分の作製した関係グラフがなければもちろん、図１を使用しても良い。
【００２３】
次に、事前に図１のようなデータを得ておく。最低２つの駆動電流Ｉosをパラメータとした発振起動時間Ｔsと負荷容量ＣＬの関係を得る。非常に強い相関関係があるのでそれぞれの駆動電流Ｉosに対して最低３〜４個のデータでも良い。
これらから求めた最低２つの２次式
Ｔs＝ｃ1＊(ＣＬ)2＋d1＊(ＣＬ)＋e1 （Ｉos＝Ｉos1）
Ｔs＝ｃ2＊(ＣＬ)2＋d2＊(ＣＬ)＋e2 （Ｉos＝Ｉos2）
（Ｉos1＞Ｉos2）を得る。
【００２４】
そして３つの負荷容量ＣＬ値（ｘ1、x2、x3）に対して、単純比例させて駆動電流Ios0における曲線Ｔs＝ｃ0＊(ＣＬ)2＋d0＊(ＣＬ)＋e0 （Ｉos＝Ｉos0）を得る。たとえば、Ｔs(ｘ1)atＩos1＝ｃ1＊(ｘ1)2＋d1＊(ｘ1)＋e1、Ｔs(ｘ1) atＩos2＝ｃ2＊(ｘ2)2＋d2＊(ｘ2)＋e2から、Ｔs(ｘ1) atＩos0＝｛（Ios0−Ios1）／(Ｉos1−Ios２)｝＊（Ｔs(ｘ1)atＩos1−Ｔs(ｘ1) atＩos2）＋Ｔs(ｘ1)atＩos1を求める。すなわち、発振起動時間Ｔsは駆動電流Ios0の値に比例すると考えて計算する。同様にしてＴs(ｘ2) atＩos0およびＴs(ｘ3) atＩos0を得る。これら、３組の値、（ｘ1、Ｔs(ｘ1) atＩos0）、（ｘ2、Ｔs(ｘ2) atＩos0）および（x3、Ｔs(ｘ3) atＩos0）から駆動電流Ｉos0に関する発振起動時間Ｔsの式、すなわち発振起動時間Ｔs＝ｃ0＊(ＣＬ)2＋d0＊(ＣＬ)＋e0 （Ｉos＝Ｉos0）を得る。（c0、d0およびe0が決定される。）これを基にして、発振起動時間Ｔｓと発振余裕度Ｍの関係式又は関係グラフから得られた発振起動時間Ｔs0を代入した2次方程式Ｔs0＝c0＊(ＣＬ) 2＋d0＊(ＣＬ)＋e0から、負荷容量ＣＬ値を求めることができる。
【００２５】
この方法は、Ios0≧Ｉos1やIos0≦Ｉos2のとき、すなわち任意の駆動電流Ios0が駆動電流Ｉos1や駆動電流Ｉos2の外側に存在するときは、精度が悪くなるが、Ｉos1≧Ios0≧Ｉos2のとき、すなわち駆動電流Ios0が駆動電流Ｉos1や駆動電流Ｉos2の間にあるときはかなり精度が良い(単純比例を用いているからである)。特に駆動電流Ｉos1と駆動電流Ｉos2が近いときは発振起動時間Ｔs0に対して正確な負荷容量ＣＬ値を求めることができる。図１におけるように、３組の駆動電流Ｉos値に対する関係式を得られるときには、これらの間（すなわち、駆動電流Ｉosが160ｎＡ〜75ｎＡの間）にある場合にはかなり正確な負荷容量ＣＬ値を得ることができる。
【００２６】
すなわち、本願発明における手段（B）において、発振開始時かＴsおよび負荷容量ＣＬの関係式は、駆動電流値Ｉosをパラメータとして、
Ｔｓ＝0.0191(ＣＬ)2＋0.0487(ＣＬ)＋0.0623 （Ｉos＝160nAのとき）
Ｔｓ＝0.0424(ＣＬ)2−0.0030(ＣＬ)＋0.1240 （Ｉos＝95nAのとき）
Ｔｓ＝0.0558(ＣＬ)2＋0.0316(ＣＬ)＋0.1141 （Ｉos＝70nAのとき）
であるから、使用する発振回路の駆動電流値をＩos0としたとき、Ｉos≧９５nＡのときは上式の１番目、２番目の式を用い、Ｉos≦９５nＡのときは２番目、３番目の）式を用いて、単純比例で駆動電流値Ｉos＝Ｉos0における関係式
Ｔs＝α(ＣＬ)2＋β(ＣＬ)＋γ （Ｉos＝Ｉos０のとき）を求め（すなわち、α、β、γを決定し）、本願発明の手段（Ｃ）において負荷容量ＣＬを決定する。
【００２７】
以上のように、本発明は、発振余裕度Ｍと発振起動時間Ｔｓの関係曲線（式）又は関係グラフから発振余裕度Ｍ0に対応する発振起動時間Ｔs0を求める。そして、発振起動時間Ｔsおよび負荷容量CLの関係曲線（式）として得られた２次曲線Ｔs＝α(ＣＬ)2＋β(ＣＬ)＋γ にＴs0を代入して負荷容量値ＣＬを決定することができる。
上述した本発明の負荷容量値ＣＬ決定方法により決定した水晶発振回路は、水晶発振器や電子機器に搭載して適用できる。たとえば、時計、携帯電話、携帯端末、ノートパソコン等の電池駆動の電子機器である。さらには省エネや省電力化を要求されている車載用電子機器、テレビ・冷蔵庫・エアコン等の家電製品など広範な電子機器にも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、水晶振動子を用いた発振回路に用いることができる。特に低消費電力用の発振回路を設計する場合に有用である。また、水晶振動子を用いた発振回路を搭載した水晶発振器や電子機器等に用いることができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低消費電力の水晶発振回路を実現するための方法に関するもので、特に水晶発振回路を構成する負荷容量の決定方法およびそれを用いた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
時計や携帯電話等の携帯機器において、当該機器の無充電による長時間動作や搭載される電池の充電頻度低減化の要求から、当該機器に用いられる水晶振動子等の圧電素子を組み込んだ発振回路の駆動電力の低減や発振回路の待機時（発振回路が発振した状態でかつ無負荷状態の時）における超低消費電力化がますます要求されている。
【０００３】
図３は、水晶振動子を用いた典型的な発振回路であり、反転増幅器となるＣＭＯＳインバータＩＶ０１、ＣＭＯＳインバータＩＶ０１の入力端子ＸＣＩＮと出力端子ＸＣＯＵＴとの間に接続された水晶振動子Ｘ２、ＣＭＯＳインバータＩＶ０１の入力端子ＸＣＩＮと接地電位Ｖssの電源端子との間に接続された負荷容量Ｃgを構成する容量素子、およびＣＭＯＳインバータＩＶ０１の出力端子ＸＣＯＵＴと接地電位Ｖssの電源端子との間に接続された負荷容量Ｃdを構成する容量素子を有している。
【０００４】
また、ＣＭＯＳインバータＩＶ０１は、電源電圧Ｖddが共有される第１の電源端子と、接地電位が供給される第２の電源端子との間に直列接続されたPMOSトランジスタＰＭ１１とＮＭＯＳトランジスタＮＭ１１とからなるＣＭＯＳインバータおよび帰還抵抗Ｒfから構成されている。
ＣＭＯＳインバータＩＶ０１のＰＭＯＳトランジスタＰＭ１1のソースと第１の電源端子との間、およびＣＭＯＳインバータＩＶ０２のＮＭＯＳトランジスタＮＭ１１と第２の電源端子との間には、水晶振動子Ｘ２を励振する駆動電流を制限する駆動電流調整用抵抗素子ｒ１およびｒ２が接続されている。
【０００５】
携帯機器等に搭載する発振回路は近年低消費電力化が要求されているが、そのためには発振回路における水晶振動子の駆動電流を低下させる必要がある。そのためには、発振回路におけるＣＭＯＳインバータの相互コンダクタンスＧｍを小さくすることが考えられる。しかし、相互コンダクタンスＧｍを小さくすると発振回路の発振余裕度Ｍが低下する場合がある。
【０００６】
発振回路の発振余裕度Ｍは次式（１）で与えられる。
Ｍ＝｜−Ｇm｜／｛(ω2Ｃg・Cd)＊(１／Ｒ１(max))｝＝＋ＲＬ／Ｒ１(max)・・・（１）
ωは発振周波数の角周波数、ＲＬは負性抵抗、Ｒ１(max)は水晶振動子の実効抵抗Ｒ１の最大値であり、通常は発振余裕度Ｍは５以上の値が要求される。
【０００７】
上式において水晶振動子の実効抵抗Ｒ１は水晶振動子の小型化の要請から決定される値であるから、余り小さくすることはできない。従って、相互コンダクタンスＧｍを小さくしても発振回路の発振余裕度Ｍを維持するためには、ＣＭＯＳインバータに外付けされる負荷容量を構成するコンデンサの負荷容量Ｃｇおよび／または負荷容量Ｃdの値を小さくすれば良いことが分かる。それを実現するためには、発振回路の水晶振動子は、組み込まれるマイコン等のＩＣに対して要求される低消費電力化の仕様に見合った負荷容量ＣＬを有することが要求される。すなわち、既に出願人は従来から使用されている水晶振動子の負荷容量ＣＬである12.5pFに対して、負荷容量ＣＬの低減すなわち低ＣＬ化（3pF〜5pF）を提案してきた。（特許文献１）
【０００８】
しかしながら、負荷容量ＣＬを小さくすると、負荷容量ＣＬの容量許容差と発振周波数の周波数偏差Δｆの問題が顕著になる。たとえば、負荷容量ＣＬが通常の容量許容差の範囲であるΔＣ（±５％）変化した場合の発振周波数の安定性Δｆ(ppm)は、負荷容量ＣＬが12.5pFのときΔＣが1.25pFで発振周波数の安定性Δｆは7.3ppmとなり、負荷容量ＣＬが6pFのときΔＣが0.6pFで発振周波数の安定性Δｆは13.2ppmとなり、負荷容量ＣＬが3pFのときΔＣが0.3pFで発振周波数の安定性Δｆは20.5ppmとなる。
すなわち、負荷容量ＣＬ(3pF)では、従来の12.5pFの場合よりも2.8倍も周波数偏差が大きくなるので、負荷容量CLの低容量化（低ＣＬ化）を実現するためには、負荷容量ＣＬの容量許容差に対する発振周波数の安定性を向上させる必要がある。
【０００９】
図３における入出力端子間ＸＣＩＮおよびＸＯＵＴ間の水晶振動子側の等価回路を図４に示す。水晶振動子Ｘ２には直列に負荷容量ＣＬが接続されていて、水晶振動子は圧電効果により生ずる機械的共振を等価的に表したインダクタンスＬ１、容量Ｃ１、抵抗Ｒ１の直列共振回路に電極間容量Ｃ0が並列接続した回路として表される。また入出力端子間ＸＣＩＮおよびＸＣＯＵＴ間にはＣＭＯＳ半導体基板や信号配線等により種々の浮遊容量が存在しているが、これらの（合成）浮遊容量をＣsとすると、図５に示すように、負荷容量ＣＬは浮遊容量Ｃsと直列接続された外部（外付け）容量ＣgおよびＣdとの並列接続となっている。
従って、
ＣＬ＝Ｃs＋Ｃg＊Ｃd／（Ｃg＋Ｃd）・・・（２）
となる。
（２）の関係を満足するようなＣＬ値（2pF〜6pF）になるように、発振周波数にマッチングするような外付け容量素子ＣgおよびＣdを選択すれば、発振周波数の安定性を向上できる。すなわち、負荷容量ＣＬは浮遊容量Ｃsと外部容量素子（コンデンサ）Ｃext｛＝Ｃg＊Ｃd／（Ｃg＋Ｃd）｝の和であるため、負荷容量ＣＬと浮遊容量Ｃsとの差にするように、外部容量素子Ｃextの値を選定すれば、（２）式が満足され、水晶振動子の負荷容量ＣＬと、水晶振動子から見た発振回路側の負荷容量がマッチング（整合）することを意味している。
【００１０】
図６は水晶発振回路における駆動電流と負荷容量ＣＬとの関係を示す図である。負荷容量が小さくなると駆動電流は顕著に小さくなることが分かる。たとえば、従来用いられている負荷容量１２．５ｐＦの駆動電流は約１．５μＡであるが、負荷容量２．２ｐＦの駆動電流は０．０７３μＡとなり、駆動電流が約５％に低減している。このように、負荷容量ＣＬを低減することは水晶発振回路の低消費電力化、しいてはその水晶発振回路を用いている電子機器の低電力化に大きく寄与できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００８−２０５６５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
図６から分かるように、負荷容量ＣＬを小さくすると水晶発振回路の低消費電力化を実現できることが分かる。しかし、低ＣＬ化しても発振起動時間Ｔsとの関係が不明なため、実際に使用したときにどのくらいの時間で起動できるかが問題となる。発振するのか、あるいは、所望のＴsを得るためにはどの程度の負荷容量にすれば良いかが分かると設計しやすい。また実際に発振回路にある値の低ＣＬ値を有する水晶振動子を組み込んで使用するときにも安心して使うことができる。従って、発振起動時間Ｔsと負荷容量ＣＬとの関係を知ることが切望されている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の目的は、水晶振動子を用いた発振回路の発振起動時間Ｔｓと負荷容量ＣＬの関係を明確にし、所望の発振起動時間Ｔｓにするためにはどの程度の負荷容量ＣＬを用いれば良いかその方法を提供することである。具体的には以下の方法により行なう。
（１）本発明は、水晶振動子を用いた発振回路の負荷容量ＣＬの決定方法であって、
発振起動時間Ｔｓと発振余裕度Ｍの関係式又は関係グラフを用いて発振余裕度Ｍから発振起動時間Ｔｓ（Ｔｓ０）を求める手段（Ａ）と、
発振起動時間Ｔｓと負荷容量ＣＬの関係式、及び駆動電流値Ｉｏｓから、任意の駆動電流値Ｉｏｓにおける発振起動時間Ｔｓと負荷容量ＣＬの関係式を求める手段（Ｂ）と、
前記手段（Ｂ）において求められた発振起動時間Ｔｓおよび負荷容量ＣＬの関係式を用いて、前記手段（Ａ）で求められた発振起動時間Ｔｓ０に対応する負荷容量ＣＬを決定する手段（Ｃ）と、
を含むことを特徴とする負荷容量ＣＬの決定方法である。
（２）また、本発明において、前記手段（Ａ）における発振起動時間Ｔｓと発振余裕度Ｍの関係式は、Ｍ＝ａ／（Ｔs）b （ａ、ｂは定数）
で示されることを特徴とする。
（３）また、本発明において、前記手段（Ａ）における発振起動時間Ｔｓと発振余裕度Ｍの関係式は、Ｍ＝３．７４（Ｔｓ）-0.70であることを特徴とする。
（４）また、本発明において、前記手段（Ｂ）における発振起動時間Ｔｓと負荷容量ＣＬの関係式は、Ｔｓ＝ｃ＊(ＣＬ)2＋ｄ＊(ＣＬ) ＋ｅ （ｃ、ｄ、ｅは定数）
で示されることを特徴とする。
（５）また、本発明の前記手段（Ｂ）において、
事前に得られた少なくとも２つの駆動電流値Ｉｏｓ（Ｉｏｓ１、Iｏｓ２）における発振起動時間Ｔｓおよび負荷容量ＣＬの関係式は、
Ｔs＝ｃ１＊(ＣＬ)2＋ｄ１＊(ＣＬ)＋ｅ１ （Ｉｏｓ＝Ｉｏｓ１）・・・式（１）
Ｔs＝ｃ２＊(ＣＬ)2＋ｄ２＊(ＣＬ)＋ｅ２ （Ｉｏｓ＝Ｉｏｓ２）・・・式（２）であり、
式（１）および式（２）を用いて
任意の駆動電流値Ｉｏｓのときの発振起動時間Ｔｓと負荷容量ＣＬの関係式
Ｔｓ＝ｃ０＊(ＣＬ)2＋ｄ０＊(ＣＬ)＋ｅ０ （駆動電流値Ｉｏｓが任意の値（Ｉｏｓ０）の場合）・・・式（３）を決定し、
前記手段（Ｃ）において、式（３）および前記手段（Ａ）で求めた発振起動時間Ｔs0から負荷容量ＣＬを決定することを特徴とする。
（６）また、本発明の手段（Ｂ）において、発振起動時間Ｔｓおよび負荷容量ＣＬの関係式は、駆動電流値Ｉｏｓをパラメータとして、
Ｔｓ＝0.0191(ＣＬ)2＋0.0487(ＣＬ)＋0.0623 （Ｉｏｓ＝160ｎＡのとき）・・・式（４）
Ｔｓ＝0.0424(ＣＬ)2−0.0030(ＣＬ)＋0.1240 （Ｉｏｓ＝95ｎＡのとき）・・・式（５）
Ｔｓ＝0.0558(ＣＬ)2＋0.0316(ＣＬ)＋0.1141 （Ｉｏｓ＝70ｎＡのとき）・・・式（６）であり、
使用する発振回路の駆動電流値Ｉｏｓが、Ｉｏｓ≧９５ｎＡのときは式（４）と式（５）を用い、Ｉｏｓ≦９５ｎＡのときは式（５）と式（６）を用いて、任意の駆動電流値Ｉｏｓにおける発振起動時間Ｔｓおよび負荷容量ＣＬの関係式Ｔｓ＝α(ＣＬ)2＋β(ＣＬ)＋γ （駆動電流値Ｉｏｓが任意の値（Ｉｏｓ０）の場合）・・・式（７）を求め（すなわち、式（４）式のα、βおよびγを決定し）、前記手段（Ｃ）において、
前記手段（Ｂ）において求められた式（７）を用いて負荷容量ＣＬを決定することを特徴とする。
（７）また、本発明は、さらに上記の（１）〜（６）に記載した負荷容量ＣＬの決定方法を用いて決定した負荷容量を有する水晶発振回路を搭載した電子機器である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると、発振回路の駆動電流値Ｉosをパラメータとして、発振起動時間Ｔsと負荷容量ＣＬとの間には２次式の関係があることが初めて明らかになった。すなわち、Ｔｓ＝α＊(ＣＬ)2＋β(ＣＬ)＋γ の関係式（α、β、γは定数）が成立されることを初めて発見した。発振余裕度Ｍと発振起動時間Ｔｓとの関係式あるいは関係グラフより、要求値である発振余裕度Ｍ０から必要な発振起動時間Ｔs０が求められ、さらにこのＴs０から本発明者が発見したＴｓ＝α＊(ＣＬ)2＋β(ＣＬ)＋γ の関係式を用いて発振回路の負荷容量ＣＬを決定できる。従って、最初に発振回路の負荷容量ＣＬを決める必要はなく、発振回路の駆動電流Ｉosおよび発振余裕度Ｍという設計値を決めるだけで自動的に発振回路のＣＬ値を決めることができ、設計が非常に容易となる。また、Ｔs値は１．０秒以下となるので、水晶発振回路の低CL化を実現でき、水晶発振回路の低消費電力化、並びにその結果として当該水晶発振回路を組み込んだ電子機器の低消費電力化も実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、種々のＣＬ値を有する発振回路における発振開始時間Ｔs値との関係を発振回路の駆動電流Ｉosをパラメータとして示した図である。
【図２】図２は、水晶振動子を有する発振回路における発振余裕度Ｍと発振起動時間Ｔｓとの関係を示したグラフである。
【図３】図３は、水晶振動子を用いた発振回路を示す図である。
【図４】図４は、図３における入出力端子間ＸＣＩＮおよびＸＯＵＴ間の水晶振動子側の等価回路を示す図である。
【図５】図５は、負荷容量ＣＬを構成する容量を示す図である。
【図６】図６は、水晶発振回路における駆動電流と負荷容量ＣＬとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の目的は、水晶振動子を用いた発振回路の発振起動時間と負荷容量ＣＬ値の関係を明確にし、所望の発振開始時間にするためにはどの程度の負荷容量ＣＬ値を用いれば良いかその方法を提供することである。
【００１７】
発振起動時間とは、水晶振動子を有する発振回路を機器に取り付けて電源を投入してから発振の波形が安定（飽和）するまでの時間を言うが、測定上の観点から正常な波形の振幅の９０％に達するまでの時間と定義する。図２は、種々の水晶振動子を有するいろいろな発振回路における前述の発振余裕度Ｍと発振起動時間Ｔｓとの関係を示した図である。図２から発振起動時間が長くなると発振余裕度Ｍが小さくなることが分かる。この図からもＭを５以上に取らないと発振起動時間が１秒以上と長くなるとともにばらつきが大きくなり、実使用上問題が生じるおそれがある。
【００１８】
図２から、Ｔs＝３．７４Ｍ-0.70の関係式が得られ、相関係数Ｒも0.985と非常に良い相関がある。今回のデータから上記の関係式が得られたが、一般には、
Ｔs＝ａ＊Ｍ-bの関係がある。（ａ、ｂは正の定数）発振余裕度Ｍは発振器の安全性から設計者などが決める値である。ａおよびｂは種々の水晶発振器を有する発振回路から求めることができる。
【００１９】
負荷容量ＣＬを小さくした低ＣＬ発振回路は、発振余裕度を大きく取れるので発振起動時間Ｔｓを小さくできると考えられるが、発振起動時間Ｔｓと負荷容量ＣＬとの関係についてはこれまで余り明確でなかった。そこで本出願人が種々の低ＣＬ値を有する発振回路について発振起動時間Ｔｓを測定したところ、発振起動時間Ｔｓと負荷容量ＣＬとの間には非常に密接な相関関係が存在することを見出した。
【００２０】
図１は、種々の負荷容量ＣＬの値（ただし、７ｐＦ以下の低い負荷容量値）を有する発振回路における発振起動時間Ｔｓの測定値を発振回路の駆動電流値Ｉosをパラメータとしてプロットしたものである。この図から分かるように、駆動電流値Ｉosの大小にかかわらず、発振起動時間Ｔsが短くなると負荷容量ＣＬが減少する。逆に、低い負荷容量ＣＬを用いると発振起動時間Ｔsを短くできる。図２における発振余裕度Ｍとの関係で言えば、低い負荷容量ＣＬを用いると発振余裕度Ｍは大きくなる。このことは、負性抵抗ＲＬ＝−Ｇm／（２ωＣＬ）2の関係から、低ＣＬになると負性抵抗ＲＬが大きくなり、上述の発振余裕度Ｍの定義（１）式に従いＭ＝ＲＬ／Ｒ１maxが増えることからも説明できる。従来の高い負荷容量（ＣＬ＞１０ｐＦ、たとえば、12.5pF）を用いた場合には、駆動電流Ｉosを増やして発振余裕度Ｍを増加させる手法を取っていたため、消費電力の低減が困難であった。しかし、本出願人が追及している低ＣＬ化の手法を用いれば、負荷容量ＣＬの値を小さくして発振余裕度Ｍを増加させることが可能となり、しかも発振起動時間Ｔsを簡単に１秒以下（図１から０．５秒以下も可能）にすることができ、高速起動も実現できる。すなわち、低ＣＬ発振子は高速で省電力な発振回路を容易に実現できる。
【００２１】
図１から、これらの曲線に多項式を近似させるとＩos＝160ｎAのときＴs（sec）＝0.0191ＣＬ2＋0.0487ＣＬ＋0.0623（相関係数Ｒ＝0.9999）、Ｉos＝95ｎAのときＴs（sec）＝0.0424ＣＬ2−0.0030ＣＬ＋0.1240（相関係数Ｒ＝0.9999）、Ｉos＝70ｎAのときＴs（sec）＝0.0558ＣＬ2＋0.0316ＣＬ＋0.1141（相関係数Ｒ＝0.9999）となり、相関関係が非常に強い２次式で示される。すなわち、Ｉosによって関係式の係数は異なるが、Ｔs＝α＊ＣＬ2＋β＊ＣＬ＋γの関係があることが分かった。これは新規の発見であり、この関係式を用いて所望の発振起動時間Ｔsを得るための負荷容量ＣＬの値を決定することができる。図１のグラフからそれぞれの駆動電流において、Ｔs＜0.5secの仕様を満たす非常に高速起動の水晶発振器を実現できる。ただし、発振起動時間Ｔsは発振子の時定数τ0（水晶発振子の場合は0.3sec）を超えないようにしなければならない。
【００２２】
以下、本願発明の具体的方法についてより詳しく説明する。まず、発振回路の駆動電流値Ｉos0と発振余裕度Ｍ0を決定する。これらの値は接続する電子機器（たとえば、携帯電話や電子ブック等の携帯端末機器）によって設計者が適切な値を選定できる。次に図２等のような関係式（又はグラフ）を用いて事前に得られている関係式Ｔs＝ａ＊Ｍ-bより発振起動時間Ｔs（Ｔs0）を求める。すなわち、Ｔs0＝ａ＊Ｍ0-bとなる。自分で得た関係式がなければもちろん、Ｔs＝３．74Ｍ-0.70を用いることもできる。（このときは、Ｔs0＝３．７４Ｍ0-0.70となる。）あるいは、自分の作製した図１のようなＴｓとＭとの関係グラフからおおよそのＴs0を求めても良い。自分の作製した関係グラフがなければもちろん、図１を使用しても良い。
【００２３】
次に、事前に図１のようなデータを得ておく。最低２つの駆動電流Ｉosをパラメータとした発振起動時間Ｔsと負荷容量ＣＬの関係を得る。非常に強い相関関係があるのでそれぞれの駆動電流Ｉosに対して最低３〜４個のデータでも良い。
これらから求めた最低２つの２次式
Ｔs＝ｃ1＊(ＣＬ)2＋d1＊(ＣＬ)＋e1 （Ｉos＝Ｉos1）
Ｔs＝ｃ2＊(ＣＬ)2＋d2＊(ＣＬ)＋e2 （Ｉos＝Ｉos2）
（Ｉos1＞Ｉos2）を得る。
【００２４】
そして３つの負荷容量ＣＬ値（ｘ1、x2、x3）に対して、単純比例させて駆動電流Ios0における曲線Ｔs＝ｃ0＊(ＣＬ)2＋d0＊(ＣＬ)＋e0 （Ｉos＝Ｉos0）を得る。たとえば、Ｔs(ｘ1)atＩos1＝ｃ1＊(ｘ1)2＋d1＊(ｘ1)＋e1、Ｔs(ｘ1) atＩos2＝ｃ2＊(ｘ2)2＋d2＊(ｘ2)＋e2から、Ｔs(ｘ1) atＩos0＝｛（Ios0−Ios1）／(Ｉos1−Ios２)｝＊（Ｔs(ｘ1)atＩos1−Ｔs(ｘ1) atＩos2）＋Ｔs(ｘ1)atＩos1を求める。すなわち、発振起動時間Ｔsは駆動電流Ios0の値に比例すると考えて計算する。同様にしてＴs(ｘ2) atＩos0およびＴs(ｘ3) atＩos0を得る。これら、３組の値、（ｘ1、Ｔs(ｘ1) atＩos0）、（ｘ2、Ｔs(ｘ2) atＩos0）および（x3、Ｔs(ｘ3) atＩos0）から駆動電流Ｉos0に関する発振起動時間Ｔsの式、すなわち発振起動時間Ｔs＝ｃ0＊(ＣＬ)2＋d0＊(ＣＬ)＋e0 （Ｉos＝Ｉos0）を得る。（c0、d0およびe0が決定される。）これを基にして、発振起動時間Ｔｓと発振余裕度Ｍの関係式又は関係グラフから得られた発振起動時間Ｔs0を代入した2次方程式Ｔs0＝c0＊(ＣＬ) 2＋d0＊(ＣＬ)＋e0から、負荷容量ＣＬ値を求めることができる。
【００２５】
この方法は、Ios0≧Ｉos1やIos0≦Ｉos2のとき、すなわち任意の駆動電流Ios0が駆動電流Ｉos1や駆動電流Ｉos2の外側に存在するときは、精度が悪くなるが、Ｉos1≧Ios0≧Ｉos2のとき、すなわち駆動電流Ios0が駆動電流Ｉos1や駆動電流Ｉos2の間にあるときはかなり精度が良い(単純比例を用いているからである)。特に駆動電流Ｉos1と駆動電流Ｉos2が近いときは発振起動時間Ｔs0に対して正確な負荷容量ＣＬ値を求めることができる。図１におけるように、３組の駆動電流Ｉos値に対する関係式を得られるときには、これらの間（すなわち、駆動電流Ｉosが160ｎＡ〜75ｎＡの間）にある場合にはかなり正確な負荷容量ＣＬ値を得ることができる。
【００２６】
すなわち、本願発明における手段（B）において、発振開始時かＴsおよび負荷容量ＣＬの関係式は、駆動電流値Ｉosをパラメータとして、
Ｔｓ＝0.0191(ＣＬ)2＋0.0487(ＣＬ)＋0.0623 （Ｉos＝160nAのとき）
Ｔｓ＝0.0424(ＣＬ)2−0.0030(ＣＬ)＋0.1240 （Ｉos＝95nAのとき）
Ｔｓ＝0.0558(ＣＬ)2＋0.0316(ＣＬ)＋0.1141 （Ｉos＝70nAのとき）
であるから、使用する発振回路の駆動電流値をＩos0としたとき、Ｉos≧９５nＡのときは上式の１番目、２番目の式を用い、Ｉos≦９５nＡのときは２番目、３番目の）式を用いて、単純比例で駆動電流値Ｉos＝Ｉos0における関係式
Ｔs＝α(ＣＬ)2＋β(ＣＬ)＋γ （Ｉos＝Ｉos０のとき）を求め（すなわち、α、β、γを決定し）、本願発明の手段（Ｃ）において負荷容量ＣＬを決定する。
【００２７】
以上のように、本発明は、発振余裕度Ｍと発振起動時間Ｔｓの関係曲線（式）又は関係グラフから発振余裕度Ｍ0に対応する発振起動時間Ｔs0を求める。そして、発振起動時間Ｔsおよび負荷容量CLの関係曲線（式）として得られた２次曲線Ｔs＝α(ＣＬ)2＋β(ＣＬ)＋γ にＴs0を代入して負荷容量値ＣＬを決定することができる。
上述した本発明の負荷容量値ＣＬ決定方法により決定した水晶発振回路は、水晶発振器や電子機器に搭載して適用できる。たとえば、時計、携帯電話、携帯端末、ノートパソコン等の電池駆動の電子機器である。さらには省エネや省電力化を要求されている車載用電子機器、テレビ・冷蔵庫・エアコン等の家電製品など広範な電子機器にも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、水晶振動子を用いた発振回路に用いることができる。特に低消費電力用の発振回路を設計する場合に有用である。また、水晶振動子を用いた発振回路を搭載した水晶発振器や電子機器等に用いることができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶振動子を用いた発振回路における負荷容量ＣＬの決定方法であって、
発振起動時間Ｔｓと発振余裕度Ｍの関係式又は関係グラフを用いて発振余裕度Ｍから発振起動時間Ｔｓ（Ｔｓ０）を求める手段（Ａ）と、
発振起動時間Ｔｓと負荷容量ＣＬの関係式、及び駆動電流値Ｉｏｓから、任意の駆動電流値Ｉｏｓにおける発振起動時間Ｔｓと負荷容量ＣＬの関係式を求める手段（Ｂ）と、
前記手段（Ｂ）において求められた発振起動時間Ｔｓおよび負荷容量ＣＬの関係式を用いて、前記手段（Ａ）で求められた発振起動時間Ｔｓ０に対応する負荷容量ＣＬを決定する手段（Ｃ）と、
を含むことを特徴とする負荷容量ＣＬの決定方法。
【請求項２】
前記手段（Ａ）における発振起動時間Ｔｓと発振余裕度Ｍの関係式は、
Ｍ＝ａ／（Ｔs）b （ａ、ｂは定数）
で示されることを特徴とする請求項１に記載の負荷容量ＣＬの決定方法。
【請求項３】
前記手段（Ａ）における発振起動時間Ｔｓと発振余裕度Ｍの関係式は、
Ｍ＝３．７４（Ｔｓ）-0.70であることを特徴とする請求項２に記載の負荷容量ＣＬの決定方法。
【請求項４】
前記手段（Ｂ）における発振起動時間Ｔｓと負荷容量ＣＬの関係式は、
Ｔｓ＝ｃ＊(ＣＬ)2＋ｄ＊(ＣＬ) ＋ｅ （ｃ、ｄ、ｅは定数）
で示されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの項に記載の負荷容量ＣＬの決定方法。
【請求項５】
前記手段（Ｂ）において、
事前に得られた少なくとも２つの駆動電流値Ｉｏｓ（Ｉｏｓ１、Iｏｓ２）における発振起動時間Ｔｓおよび負荷容量ＣＬの関係式は、
Ｔs＝ｃ１＊(ＣＬ)2＋ｄ１＊(ＣＬ)＋ｅ１ （Ｉｏｓ＝Ｉｏｓ１）・・・式（１）
Ｔs＝ｃ２＊(ＣＬ)2＋ｄ２＊(ＣＬ)＋ｅ２ （Ｉｏｓ＝Ｉｏｓ２）・・・式（２）であり、
式（１）および式（２）を用いて
任意の駆動電流値Ｉｏｓのときの発振起動時間Ｔｓと負荷容量ＣＬの関係式
Ｔｓ＝ｃ０＊(ＣＬ)2＋ｄ０＊(ＣＬ)＋ｅ０ （駆動電流値Ｉｏｓが任意の値（Ｉｏｓ０）の場合）・・・式（３）を決定し、
前記手段（Ｃ）において、式（３）および前記手段（Ａ）で求めた発振起動時間Ｔs0から負荷容量ＣＬを決定することを特徴とする請求項１〜４のいずれかの項に記載の負荷容量ＣＬの決定方法。
【請求項６】
前記手段（Ｂ）において、
発振起動時間Ｔｓおよび負荷容量ＣＬの関係式は、駆動電流値Ｉｏｓをパラメータとして、
Ｔｓ＝0.0191(ＣＬ)2＋0.0487(ＣＬ)＋0.0623 （Ｉｏｓ＝160ｎＡのとき）・・・式（４）
Ｔｓ＝0.0424(ＣＬ)2−0.0030(ＣＬ)＋0.1240 （Ｉｏｓ＝95ｎＡのとき）・・・式（５）
Ｔｓ＝0.0558(ＣＬ)2＋0.0316(ＣＬ)＋0.1141 （Ｉｏｓ＝70ｎＡのとき）・・・式（６）であり、
使用する発振回路の駆動電流値Ｉｏｓが、Ｉｏｓ≧９５ｎＡのときは式（４）と式（５）を用い、Ｉｏｓ≦９５ｎＡのときは式（５）と式（６）を用いて、任意の駆動電流値Ｉｏｓにおける発振起動時間Ｔｓおよび負荷容量ＣＬの関係式
Ｔｓ＝α(ＣＬ)2＋β(ＣＬ)＋γ （駆動電流値Ｉｏｓが任意の値（Ｉｏｓ０）の場合）・・・式（７）
を求め（すなわち、式（４）のα、βおよびγを決定し）、
前記手段（Ｃ）において、
前記手段（Ｂ）において求められた式（７）を用いて負荷容量ＣＬを決定することを特徴とする請求項１〜５のいずれかの項に記載の負荷容量ＣＬの決定方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかの項に記載の負荷容量ＣＬの決定方法を用いて決定した負荷容量を有する水晶発振回路を搭載した電子機器。
【請求項１】
水晶振動子を用いた発振回路における負荷容量ＣＬの決定方法であって、
発振起動時間Ｔｓと発振余裕度Ｍの関係式又は関係グラフを用いて発振余裕度Ｍから発振起動時間Ｔｓ（Ｔｓ０）を求める手段（Ａ）と、
発振起動時間Ｔｓと負荷容量ＣＬの関係式、及び駆動電流値Ｉｏｓから、任意の駆動電流値Ｉｏｓにおける発振起動時間Ｔｓと負荷容量ＣＬの関係式を求める手段（Ｂ）と、
前記手段（Ｂ）において求められた発振起動時間Ｔｓおよび負荷容量ＣＬの関係式を用いて、前記手段（Ａ）で求められた発振起動時間Ｔｓ０に対応する負荷容量ＣＬを決定する手段（Ｃ）と、
を含むことを特徴とする負荷容量ＣＬの決定方法。
【請求項２】
前記手段（Ａ）における発振起動時間Ｔｓと発振余裕度Ｍの関係式は、
Ｍ＝ａ／（Ｔs）b （ａ、ｂは定数）
で示されることを特徴とする請求項１に記載の負荷容量ＣＬの決定方法。
【請求項３】
前記手段（Ａ）における発振起動時間Ｔｓと発振余裕度Ｍの関係式は、
Ｍ＝３．７４（Ｔｓ）-0.70であることを特徴とする請求項２に記載の負荷容量ＣＬの決定方法。
【請求項４】
前記手段（Ｂ）における発振起動時間Ｔｓと負荷容量ＣＬの関係式は、
Ｔｓ＝ｃ＊(ＣＬ)2＋ｄ＊(ＣＬ) ＋ｅ （ｃ、ｄ、ｅは定数）
で示されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの項に記載の負荷容量ＣＬの決定方法。
【請求項５】
前記手段（Ｂ）において、
事前に得られた少なくとも２つの駆動電流値Ｉｏｓ（Ｉｏｓ１、Iｏｓ２）における発振起動時間Ｔｓおよび負荷容量ＣＬの関係式は、
Ｔs＝ｃ１＊(ＣＬ)2＋ｄ１＊(ＣＬ)＋ｅ１ （Ｉｏｓ＝Ｉｏｓ１）・・・式（１）
Ｔs＝ｃ２＊(ＣＬ)2＋ｄ２＊(ＣＬ)＋ｅ２ （Ｉｏｓ＝Ｉｏｓ２）・・・式（２）であり、
式（１）および式（２）を用いて
任意の駆動電流値Ｉｏｓのときの発振起動時間Ｔｓと負荷容量ＣＬの関係式
Ｔｓ＝ｃ０＊(ＣＬ)2＋ｄ０＊(ＣＬ)＋ｅ０ （駆動電流値Ｉｏｓが任意の値（Ｉｏｓ０）の場合）・・・式（３）を決定し、
前記手段（Ｃ）において、式（３）および前記手段（Ａ）で求めた発振起動時間Ｔs0から負荷容量ＣＬを決定することを特徴とする請求項１〜４のいずれかの項に記載の負荷容量ＣＬの決定方法。
【請求項６】
前記手段（Ｂ）において、
発振起動時間Ｔｓおよび負荷容量ＣＬの関係式は、駆動電流値Ｉｏｓをパラメータとして、
Ｔｓ＝0.0191(ＣＬ)2＋0.0487(ＣＬ)＋0.0623 （Ｉｏｓ＝160ｎＡのとき）・・・式（４）
Ｔｓ＝0.0424(ＣＬ)2−0.0030(ＣＬ)＋0.1240 （Ｉｏｓ＝95ｎＡのとき）・・・式（５）
Ｔｓ＝0.0558(ＣＬ)2＋0.0316(ＣＬ)＋0.1141 （Ｉｏｓ＝70ｎＡのとき）・・・式（６）であり、
使用する発振回路の駆動電流値Ｉｏｓが、Ｉｏｓ≧９５ｎＡのときは式（４）と式（５）を用い、Ｉｏｓ≦９５ｎＡのときは式（５）と式（６）を用いて、任意の駆動電流値Ｉｏｓにおける発振起動時間Ｔｓおよび負荷容量ＣＬの関係式
Ｔｓ＝α(ＣＬ)2＋β(ＣＬ)＋γ （駆動電流値Ｉｏｓが任意の値（Ｉｏｓ０）の場合）・・・式（７）
を求め（すなわち、式（４）のα、βおよびγを決定し）、
前記手段（Ｃ）において、
前記手段（Ｂ）において求められた式（７）を用いて負荷容量ＣＬを決定することを特徴とする請求項１〜５のいずれかの項に記載の負荷容量ＣＬの決定方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかの項に記載の負荷容量ＣＬの決定方法を用いて決定した負荷容量を有する水晶発振回路を搭載した電子機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１５６８７５（Ｐ２０１２−１５６８７５Ａ）
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５４４６（Ｐ２０１１−１５４４６）
【出願日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【出願人】（０００００２３２５）セイコーインスツル株式会社 (3,629)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【出願人】（０００００２３２５）セイコーインスツル株式会社 (3,629)
【Ｆターム（参考）】
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