発振器
【課題】劣化が少なく目的とする周波数のクロックパルスを出力することのできる発振器を提供すること。
【解決手段】発振器１は、固定電極２１２と空隙を隔てて配置された可動電極２１４とを有する振動子２１を用いた発振器であって、基準電圧を供給する基準電圧供給回路３と、
クロックパルスの入力によって作動する昇圧回路４１を備え、基準電圧を所定の大きさの電圧に変換して出力する電圧調整回路４とを有し、前記振動子２１は、電圧調整回路４から出力された前記所定の大きさの電圧が固定電極２１２と可動電極２１４との間に印加されるように構成されており、昇圧回路４１に入力される前記クロックパルスは、振動子２１を発信源として得られたものであることを特徴とする。
【解決手段】発振器１は、固定電極２１２と空隙を隔てて配置された可動電極２１４とを有する振動子２１を用いた発振器であって、基準電圧を供給する基準電圧供給回路３と、
クロックパルスの入力によって作動する昇圧回路４１を備え、基準電圧を所定の大きさの電圧に変換して出力する電圧調整回路４とを有し、前記振動子２１は、電圧調整回路４から出力された前記所定の大きさの電圧が固定電極２１２と可動電極２１４との間に印加されるように構成されており、昇圧回路４１に入力される前記クロックパルスは、振動子２１を発信源として得られたものであることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を利用し、半導体基板にＭＥＭＳ素子を備えた発振器が知られている。このような発振器においては、ＭＥＭＳ素子が振動子として用いられ、目的とする周波数のクロックパルスを外部の回路等に出力する。
【０００３】
発振器の振動子に用いられるＭＥＭＳ素子としては、例えば、固定電極と可動電極とを有し、これらの電極間に特定の交流電圧を印加することにより、可動電極が振動するものが知られている（例えば、特許文献１）。また、前記特定の交流電圧は、可動電極の固有振動周波数（以下、共振周波数）である事が一般的である。
このような発振器として、例えば、図１１に示す発振器が挙げられる。図１１に示す発振器は、ＭＥＭＳ振動子と能動回路から構成された発振回路と、ＭＥＭＳ振動子にバイアス電圧を印加するためのバイアス電圧印加回路と、発振器と外部回路との間の相互干渉を防ぐための緩衝回路とで構成されている。
【０００４】
このような発振器に備えられた振動子は、前記可動電極及び前記固定電極間に印加する静的な電圧（バイアス電圧）を変化させると、共振周波数が変化する性質を有する。なお、バイアス電圧は直流電圧である事が一般的である。このため、印加するバイアス電圧を調整して、共振周波数を調整する事が可能である。このような振動子は、非常に微小なものであるため、精度よくその共振周波数を目的とする範囲内に収めるように製造することが難しいが、バイアス電圧を適宜調整することにより、共振周波数を目的とする範囲内に収めることが可能である。
【０００５】
また、印加可能なバイアス電圧に対して、バイアス電圧による振動子の共振周波数が十分に小さい場合には、振動子は、バイアス電圧が大きいほど周波数の変動幅が増加する性質を持つ。このため、振動子の周波数変動幅を広げたい場合には意図的に高いバイアス電圧を振動子に印加する場合もある。
また、振動子（ＭＥＭＳ素子）の適切なバイアス電圧は、振動子の形状、形態により決定されるが、その形状によっては前記発振器の能動回路の駆動電圧よりも高い電圧が必要となる場合がある。発振回路の能動回路の動作電圧は比較的低い値（例えば、３Ｖ）に設定される場合が多いが、前記バイアス電圧の適切値がこれを超える場合（例えば、５〜１０Ｖ）は、昇圧回路の付加が必要となる。
【０００６】
共振周波数を目的とする範囲内に収めるため、または振動子の周波数変動幅を広げるための発振器としては、例えば、図１２に示す構成の発振器が挙げられる。このような発振器を用いた場合、印加するバイアス電圧により発振回路の発振周波数を調整する事が可能となる。
図１２に示す発振器は、基準電圧を供給する基準電圧供給回路と、基準電圧をより高い電圧に変換する昇圧回路と、昇圧された電圧を振動子に印加し、振動子の振動からクロックパルスを得て外部回路に出力する発振回路と発振器と外部回路との間の相互干渉を防ぐための緩衝回路で構成されている。
【０００７】
このように、適切なバイアス電圧を印加するため、もしくは、振動子の共振周波数の変動範囲を広げるために、バイアス電圧を昇圧する昇圧回路が用いられる場合がある。昇圧回路としては、チャージポンプ回路が好適に用いられる。チャージポンプ回路は、比較的面積の小さいものであり、例えば、半導体基板上に収納できるため、発振器の小型化に適している。しかしながら、チャージポンプ回路は、クロックパルスを外部から得て作動する。このため、外部にある水晶振動子等のクロックパルスをチャージポンプ回路に用いた場合、水晶振動子等のクロックパルスは、発振器及び振動子（ＭＥＭＳ素子）とは必ずしも周波数が一致しないため、この干渉により発振器から発信されるクロックパルスが劣化する（例えば、ノイズの増大）問題が懸念される。このように発振器から発信されるクロックパルスが劣化すると、発振器から出力されるクロックパルスを利用するマイコン、コントローラ等の外部回路において誤動作が生じる恐れがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−１１１８３１公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、劣化が少なく目的とする周波数のクロックパルスを出力することのできる発振器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の発振器は、固定電極と空隙を隔てて配置された可動電極とを有する振動子を用いた発振器であって、
基準電圧を供給する基準電圧供給回路と、
クロックパルスの入力によって作動する昇圧回路を備え、前記基準電圧を所定の大きさの電圧に変換して出力する電圧調整回路とを有し、
前記振動子は、前記電圧調整回路から出力された前記所定の大きさが電圧を前記固定電極と前記可動電極との間に印加されるように構成されており、
前記昇圧回路に入力される前記クロックパルスは、前記振動子を発信源として得られたものであることを特徴とする。
これにより、劣化が少なく目的とする周波数のクロックパルスを出力することのできる発振器を提供することができる。
【００１１】
本発明の発振器では、前記電圧調整回路から出力される電圧の大きさを前記所定の大きさに調整することより、前記振動子の共振周波数を所定の数値範囲内に設定することが好ましい。
これにより、劣化が少なく目的とする周波数のクロックパルスを出力することのできる発振器を提供することができる。
【００１２】
本発明の発振器では、前記振動子の振動を基に前記クロックパルスを生成し、該クロックパルスを前記昇圧回路および外部に出力する発振回路を有することが好ましい。
これにより、劣化が少なく目的とする周波数のクロックパルスを出力することのできる発振器を提供することができる。
本発明の発振器では、前記発振回路と前記昇圧回路との間に、前記クロックパルスが通過する緩衝回路を有することが好ましい。
これにより、昇圧回路の動作が発振回路のクロックパルスの生成に影響を与えることを防止することができる。
【００１３】
本発明の発振器では、前記電圧調整回路は、分圧回路を有し、
該分圧回路は、前記基準電圧をより低い電圧に変換して前記昇圧回路に出力し、
前記昇圧回路は、前記分圧回路から入力された電圧をより高い電圧に変換して前記所定の大きさの電圧として出力することが好ましい。
これにより、振動子に印加する電圧の大きさを調整することがより容易となる。
【００１４】
本発明の発振器では、前記電圧調整回路は、分圧回路を有し、
前記昇圧回路は、前記基準電圧をより高い電圧に変換して前記分圧回路に出力し、
前記分圧回路は、前記昇圧回路から入力された電圧をより低い電圧に変換して前記所定の大きさの電圧として出力することが好ましい。
これにより、振動子に印加する電圧の大きさを調整することがより容易となる。
本発明の発振器では、前記振動子を発信源とする前記クロックパルスを分周して前記昇圧回路に入力する分周回路を有することが好ましい。
これにより、振動子が発生させるクロックパルスの周波数が高く、昇圧回路の作動に適していないものであっても、分周して用いることにより昇圧回路が好適に作動する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る発振器のブロック図である。
【図２】図１に示す発振器が備える発振回路の回路図である。
【図３】図２に示す発振回路が備える振動子の概略断面図である。
【図４】図３に示す振動子の共振周波数と振動子に印加されるバイアス電圧との関係を示すグラフである。
【図５】図１に示す発振器が備える昇圧回路の回路図である。
【図６】図１に示す発振器が備える分圧回路の回路図である。
【図７】図１に示す発振器の作動時における昇圧回路の出力電圧および振動子の共振周波数の時間変化をしめすグラフである。
【図８】本発明の第２実施形態に係る発振器のブロック図である。
【図９】本発明の第３実施形態に係る発振器のブロック図である。
【図１０】従来の発振器の実施形態の一例を示すブロック図および発振器に備えられた発振回路の一例を示す回路図である。
【図１１】従来の発振器の実施形態の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の発振器を添付図面に示す各実施形態に基づいて詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る発振器のブロック図、図２は、図１に示す発振器が備える発振回路の回路図、図３は、図２に示す発振回路が備える振動子の概略断面図、図４は、図３に示す振動子の共振周波数と振動子に印加されるバイアス電圧との関係を示すグラフ、図５は、図１に示す発振器が備える昇圧回路の回路図、図６は、図１に示す発振器が備える分圧回路の回路図、図７は、図１に示す発振器の作動時における昇圧回路の出力電圧および振動子の共振周波数の時間変化を示すグラフである。なお、以下では、説明の便宜上、図１〜図７の上側を「上」、下側を「下」、右側を「右」、左側を「左」と言う。
【００１７】
図１に示す発振器１は、発振回路２と、基準電圧供給回路３と、電圧調整回路４と、緩衝回路５Ａ、５Ｂとを有している。
このような発振器１においては、発振回路２において所定の周波数を有するクロックパルスが生成され、該クロックパルスは、発振器１から外部回路１００へ出力される。また、発振器１は、通常、半導体基板上に設けられており、例えば、ＩＣチップ中の電子回路として設けられている。
【００１８】
以下、発振器１の各部について説明する。
図２に示すように、発振回路２は、振動子２１と、バイアス回路２２と、第１の増幅回路２３と、第２の増幅回路２４とを有している。
図３に示すように、振動子２１は、基板２１１上に設けられており、基板２１１上に形成された固定電極２１２と、可動電極２１３とを有している。
【００１９】
可動電極２１３は、基板２１１上に形成された支持部２１４と、固定電極２１２と空隙を隔てて対向配置された可動板（可動部）２１５と、支持部２１４と可動板２１５とを連結する連結部２１６とを有している。可動板２１５は、連結部２１６を介して支持部２１４に片持ち支持されている。
可動板２１５は、弾性を有し、所定のばね定数を有しているため、上下方向に力が加えられることにより、上下方向に弾性振動することができる。
【００２０】
また、可動板２１５と固定電極２１２との間に、可動板２１５の固有振動数と同等の周波数を持つパルスを注入すると、可動板２１５が振動（共振）し、固定電極２１２および可動板２１５間の容量が変化するために、電流が流れ、この結果、振動子２１より共振周波数（固有振動周波数）の信号が出力される（共振される）。
また、振動子２１には、バイアス回路２２を介して、電圧調整回路４において調整された所定の大きさの静的な（直流の）電圧がバイアス電圧として、印加されている。振動子２１の可動板２１５の共振周波数（以下、単に「振動子２１の共振周波数」ともいう。）は、固定電極２１２と可動電極２１３との間に印加されるバイアス電圧の大きさによって変化するため、バイアス電圧の大きさを適宜調整することにより、振動子２１の共振周波数を所望の値に設定することができる。すなわち、振動子２１は、微小であるため、設計された寸法からの誤差が生じやすく、共振周波数が、所望の値からずれやすいが、このようにバイアス電圧の大きさを設定することにより、共振周波数の所望の値からの誤差を修正することができる。
【００２１】
これは、バイアス電圧が固定電極２１２と可動電極２１３との間に印加されることにより、可動板２１５の「見かけ上のばね定数」が変化することによる。図４に示すように、固定電極２１２と可動電極２１３との間に印加されるバイアス電圧が大きくなるほど、振動子２１の共振周波数は低下し、また、共振周波数の低下の度合いも大きくなる。なお、発振器１は、後述する昇圧回路４１を備えた電圧調整回路４を有するため、比較的大きなバイアス電圧を振動子２１に印加することができる。
また、振動子２１に印加されるバイアス電圧が大きすぎる場合、可動板２１５が固定電極２１２に吸引されて接触する（Ｐｕｌｌ−ｉｎ）。このため、バイアス電圧は、このような現象が起きない範囲の大きさで調整される。
【００２２】
図３に示すように、第１の増幅回路２３は、振動子２１から出力された信号を増幅する。増幅された信号は、その一部が第２の増幅回路２４へ入力されるとともに、振動子２１に帰還して振動子２１に注入される。
第２の増幅回路２４は、第１の増幅回路２３から入力された信号をさらに増幅する。そして、第２の増幅回路２４によって増幅された信号（クロックパルスφ）は、電圧調整回路４および外部回路１００に出力される。
【００２３】
以上のような発振回路２は、以下のようにしてクロックパルスを出力する。まず、バイアス回路２２を介して電圧調整回路４からバイアス電圧が振動子２１に入力されることにより、振動子２１が動作可能な状態となり、さらに、振動子２１に共振周波数成分を含む交流信号が注入され、かつ、振動子２１および第１の増幅回路２３を含む閉ループで発振条件が満たされた場合、回路が発振する。この発振により生じた信号の一部が第２の増幅回路２４で増幅され、クロックパルスφが発振回路２より出力される。なお、発振回路２の起動時においては、振動子２１にバイアス電圧を最初に印加した場合等に生じる振動子２１への印加電圧の変動により振動子２１が振動を開始して交流電流が流れ、この交流電流が第１の増幅回路２３によって増幅されて振動子２１に帰還する。振動子２１に注入される共振周波数成分を含む交流信号は、通常、この帰還した交流電流である。
【００２４】
図１に示すように、基準電圧供給回路３は、電圧調整回路４への印加電圧（基準電圧Ｖｂ）を発生する。なお、基準電圧供給回路３からの印加電圧は、図１では昇圧回路４１のみに前記基準電圧は供給されているが、図中の他回路（発振回路２、緩衝回路５Ａ、５Ｂなど）へ併せて供給されていてもよい。
電圧調整回路４は、昇圧回路４１と、昇圧回路４１の後段に設けられた分圧回路４２とを有している。
電圧調整回路４は、昇圧回路４１により基準電圧Ｖｂをより高い電圧Ｖｏに変換するとともに、分圧回路４２において昇圧回路４１で昇圧された電圧Ｖｏをより低い電圧Ｖｐに変換することにより、振動子２１の共振周波数が所望の値となるような大きさの静的なバイアス電圧Ｖｐを発生させ、これを発振回路２に供給する。
【００２５】
図５に示すように、昇圧回路４１は、クロック発生回路４１１とチャージポンプ回路４１２とを有している。上述したように、昇圧回路４１により基準電圧Ｖｂをより高い電圧Ｖｏに変換して出力する。
クロック発生回路４１１は、発振回路２で発生したクロックパルスφを用い、周波数および位相がクロックパルスφと同一の正相クロックパルスＶφと、位相がクロックパルスＶφと反転した以外は正相クロックパルスＶφと同一の逆相クロックパルスＶ¬φとを発生させ、チャージポンプ回路４１２に入力する。正相クロックパルスＶφ 、逆相クロックパルスＶ¬φは、いずれもＬレベルのときに０ボルト、ＨレベルのときにＶｂボルトとなるように設定されている。
【００２６】
なお、符号「¬ 」は、反転、つまり正相に対する逆相を意味する。また、クロック発生回路４１１は、クロック発生回路４１１を駆動させるための電位Ｖｄｄと、接地電位Ｖｓｓとの電位差による電圧が供給されており、これを動力として作動する。
チャージポンプ回路４１２は、いわゆるＤｉｃｋｓｏｎチャージポンプ回路であり、正相クロックパルスＶφおよび逆相クロックパルスＶ¬φを利用して、入力された基準電圧Ｖｂをより大きい電圧Ｖｏを出力する。
【００２７】
チャージポンプ回路４１２は、直列接続された５つのスイッチング素子（ダイオード接続ＮＭＯS）ＭＤ１、ＭＤ２、ＭＤ３、ＭＤ４、ＭＤ５と、これらのスイッチング素子ＭＤ１〜ＭＤ５の各接続点に一端側が接続される４つのコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４と、これらのスイッチング素子ＭＤ１〜ＭＤ５のうち、終段のスイッチング素子ＭＤ５の出力側に一端側が接続されるコンデンサＣｏｕｔとを備える。また、コンデンサＣ１、Ｃ３の他端側（図中、下側）には、正相クロックパルスＶφが入力されるようにクロック発生回路４１１と接続されており、コンデンサＣ２、Ｃ４の他端側（図中、下側）には、逆相クロックパルスＶ¬φが入力されるようにクロック発生回路４１１と接続されている。また、昇圧される基準電圧Ｖｂは、スイッチング素子ＭＤ１の入力側から入力され、昇圧された電圧Ｖｏは、スイッチング素子ＭＤ５の出力側から出力される。
【００２８】
このような回路においては、正相クロックパルスＶφがＬレベル（０ボルト）、逆相クロックパルスＶ¬φがＨレベル（Ｖｂボルト）のときには、コンデンサＣ１、Ｃ３の他端側電位が０ボルト、コンデンサＣ２、Ｃ４の他端側電位がＶｂボルトになるので、スイッチング素子ＭＤ１、ＭＤ３が導通状態となるとともにスイッチング素子ＭＤ２、ＭＤ４が遮断状態となる。このため、コンデンサＣ１には入力される基準電圧Ｖｂ相当（Ｖｂ−ＶＦ）による電流が流れ込む一方で、コンデンサＣ２、Ｃ４にはＶｂボルト分加算された電位による電流がそれぞれ次段のコンデンサＣ３、Ｃｏｕｔに流れ込む。ここで、ＶＦとは、各スイッチング素子ＭＤ１〜ＭＤ５を通過する際の順方向降下電圧を表わす。
【００２９】
これに対し、正相クロックパルスＶφがＨレベル（Ｖｂボルト）、逆相クロックパルスＶ¬φがＬレベル（０ボルト）のときには、コンデンサＣ２、Ｃ４の他端側電位が０ボルト、コンデンサＣ１、Ｃ３の他端側電位がＶｂボルトになるので、スイッチング素子ＭＤ２、ＭＤ４が導通状態となるとともにスイッチング素子ＭＤ１、ＭＤ３が遮断状態となる。このため、電圧Ｖｂ分だけ電位が増加したコンデンサＣ１、Ｃ３による電流がそれぞれ次段のコンデンサＣ２、Ｃ４に流れ込む。
【００３０】
このようなスイッチング素子ＭＤ１〜ＭＤ４によるスイッチング動作とコンデンサＣ１〜Ｃ４、Ｃｏｕｔによる充放電動作とにより、コンデンサＣ２には入力電圧Ｖｂの約２倍の電圧（２Ｖｂ−２ＶＦ）、コンデンサＣ３には基準電圧Ｖｂの約３倍の電圧（３Ｖｂ−３ＶＦ）、コンデンサＣ４には基準電圧Ｖｂの約４倍の電圧（４Ｖｂ−４ＶＦ）がそれぞれ充電され、終段のコンデンサＣｏｕｔには入力電圧Ｖｂの約５倍の電圧（５Ｖｂ−５ＶＦ）が充電される。これにより、出力電圧Ｖｏとして約５Ｖｂボルトを取り出して、分圧回路４２に出力することが可能となる。
【００３１】
上述したような昇圧回路４１は、発振回路２から出力されたクロックパルスφを利用し、基準電圧Ｖｂをより高い電圧に変換している。このように、昇圧回路４１が発振回路２から出力されたクロックパルスφを用いることにより、発振器１の外部からクロックパルスを得る必要がなくなるため、発振器１では、発振回路２由来のクロックパルスのみが使用される。この結果、例えば、外部のクロックパルスと振動子２１とのクロックパルスとが干渉することによる、発振回路２から出力されるクロックパルスφの劣化が、防止される。また、発振器１内に新たな振動子を有する必要がないため、発振器１が簡素化され、発振器１や発振器１が搭載された半導体基板のチップサイズが小さいものとなる。
【００３２】
なお、このチャージポンプ回路４１２は、必要に応じて、出力電圧Ｖｏの大きさを変更可能である。例えば、コンデンサＣ１とスイッチング素子ＭＤ２との間、コンデンサＣ２とスイッチング素子ＭＤ３との間、コンデンサＣ３とスイッチング素子ＭＤ４との間、コンデンサＣ３とスイッチング素子ＭＤ４との間から、それぞれ電圧を取り出して出力電圧Ｖｏとすることができる（回路は図示せず）。また、昇圧の必要がない場合には、スイッチング素子ＭＤ１の入力側から電圧を取り出して、出力電圧Ｖｏとすることができる（回路は図示せず）。
分圧回路４２は、上述したように、昇圧回路４１で昇圧された電圧Ｖｏをより低い電圧Ｖｐに変換して発振回路２に入力する。
【００３３】
図６に示すように、分圧回路４２は、抵抗分圧回路であり、直列接続された抵抗器Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４と、スイッチＳＷ１、ＳＷ２とを有している。
スイッチＳＷ１は、抵抗器Ｒ１と抵抗器Ｒ２との間に接続された線と、抵抗器Ｒ２と抵抗器Ｒ３との間に接続された線とを接続可能である。スイッチＳＷ２は、抵抗器Ｒ２と抵抗器Ｒ３との間に接続された線と、抵抗器Ｒ４と抵抗器Ｒ４との間に接続された線とを接続可能である。
【００３４】
そして、分圧回路４２は、抵抗器Ｒ１の抵抗値と、抵抗器Ｒ２〜Ｒ４のうち使用される抵抗器の総合の抵抗値との関係により、抵抗器Ｒ１の上部にある入力端子から入力された電圧Ｖｏを分圧（降圧）し、抵抗器Ｒ１と抵抗器Ｒ２との間から出力されるバイアス電圧Ｖｐとして発振回路２に出力する。
なお、スイッチＳＷ１を接続することにより、抵抗器Ｒ２を短絡させることができ、スイッチＳＷ２を接続することにより、抵抗器Ｒ３を短絡させることができ、これらにより、抵抗器Ｒ２〜Ｒ４のうち使用される抵抗器の総合の抵抗値を変化させることができるため、バイアス電圧Ｖｐを適宜調整することができる。
【００３５】
なお、図示では抵抗器４個，スイッチ２個の例を挙げているが、必ずしもこれに限らない。例えば、抵抗器は必要な分解能を確保するための数（例えば８個）を設ける事も可能であり、またそれを切り替えるスイッチも必要な数（例えば６個）を設ける事も可能である。更に、発振回路２への供給端子の出力位置も、図示のＲ１とＲ２の中点に限らず、使用する抵抗器のうちの適切な接続点から出す事も可能である。要は、発振回路２へ供給する電圧に応じて適切な電位を出力できる機能を備えていればよい。
【００３６】
緩衝回路５Ａは、バッファアンプであり、発振回路２と昇圧回路４１との間に設けられている。緩衝回路５Ａでは、発振回路２から出力され、昇圧回路４１に入力されるクロックパルスφが通過する。そして、昇圧回路４１と発振回路２との相互の動作に影響を与えることを防止する。
緩衝回路５Ｂは、バッファアンプであり、発振回路２と外部回路１００との間に設けられている。緩衝回路５Ｂでは、発振回路２から出力され、外部回路１００に入力されるクロックパルスφが通過する。そして、外部回路１００と発振回路２との相互の動作に影響を与えることを防止する。
【００３７】
なお、緩衝回路５Ａ、５Ｂは、省略することもできる。
また、図示していないが、基準電圧供給回路３、昇圧回路４１および分圧回路４２を各々接続する場合、相互に干渉が懸念される場合がある。この場合は各々の接続について、緩衝回路を介在させて接続してもよい。
以上のような構成を有する発振器１は、電圧調整回路４を有することにより、発振回路２に入力されるバイアス電圧を調整することできるため、振動子２１に製造時における周波数特性のずれ（誤差）が生じている場合であっても、所望の共振周波数で発振することができる。特に、昇圧回路４１が用いるクロックパルスとして、発振回路２が発するクロックパルスφを用いることにより、外部のクロックパルスを用いる場合と比較して、発振回路２で出力されるクロックパルスφが劣化すること（例えば、ノイズが入ること）が防止される。また、外部のクロックパルスを用いないことにより、発振器１の外部に発振回路を設ける必要がなくなり、半導体基板上の回路を簡素化することができる。
また、図７に示されるグラフには、上述したような発振器１の作動時における、昇圧回路４１の出力電圧Ｖｏ、および振動子２１の共振周波数ｆｒの時間変化を示した。
【００３８】
発振器１を起動してすぐには昇圧回路４１の出力電圧Ｖｏは目的とする大きさとはならず、初期の出力電圧は、基準電圧Ｖｂである。そして、出力電圧Ｖｏは、一定時間かけて上昇し、目的とする大きさとなった時点で定常状態となる。
一方、振動子２１の共振周波数ｆｒは、上述したようにバイアス電圧Ｖｐによって変化する。発振器１の動作当初は、昇圧回路４１からの出力電圧Ｖｏが低いため、バイアス電圧Ｖｐが低くなっており、共振周波数ｆｒは高いものとなる。そして、昇圧回路４１からの出力電圧Ｖｏが上昇するにつれて共振周波数ｆｒは低下し、出力電圧Ｖｏが一定となった時点で共振周波数ｆｒは一定となる。
【００３９】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の発振器の第２実施形態について説明する。
図８は、本発明の第２実施形態に係る発振器のブロック図である。
以下、第２実施形態について、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。なお、前述した第１実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
【００４０】
本発明の第２実施形態にかかる発振器１Ｂは、電圧調整回路４Ｂの構成が第１実施形態と異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。
本実施形態において、電圧調整回路４Ｂは、昇圧回路４１および分圧回路４２を有するが、入力される基準電圧Ｖｂの処理の順序が異なる。すなわち、基準電圧供給回路３からの基準電圧Ｖｂは、分圧回路４２へ入力される。そして、分圧回路４２において、基準電圧Ｖｂは、より小さい電圧Ｖｏ’に変換されて出力される。次に、分圧回路４２において出力された電圧Ｖｏ’は、昇圧回路４１に入力され、より高い電圧Ｖｐとして出力される。
そして、昇圧回路４１から出力された電圧Ｖｐは、バイアス電圧Ｖｐとして発振回路２に入力される。
以上のような第２実施形態によっても、第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。
【００４１】
＜第３実施形態＞
次に、本発明の発振器の第３実施形態について説明する。
図９は、本発明の第３実施形態に係る発振器のブロック図である。
以下、第３実施形態について、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。なお、前述した第１実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
【００４２】
本発明の第３実施形態にかかる発振器１Ｃは、緩衝回路５Ａと昇圧回路４１との間に分周回路６を有すること以外は、前述した第１実施形態と同様である。
分周回路６は、発振回路２から緩衝回路５Ａを介して入力されたクロックパルスφをより低い周波数のクロックパルスφ’に変換して出力する。具体的には、分周回路において、クロックパルスφの周波数を利用して、クロックパルスφの周波数の整数分の１（１／ｎ）の周波数のクロックパルスφ’を生成する。
【００４３】
分周回路６から出力されたクロックパルスφ’は、昇圧回路４１へ入力され、基準電圧Ｖｂの変換に用いられる。これにより、例えば、発振回路２から出力されるクロックパルスφの周波数が高く、昇圧回路４１が作動しにくい場合であっても、分周回路６において生成されたより周波数の低いクロックパルスφ’を用いることにより昇圧回路４１が好適に作動する。
【００４４】
なお、このような場合、発振器１内には、異なる周波数の２つのクロックパルス（クロックパルスφおよびクロックパルスφ’）が存在することになるが、クロックパルスφ’の周波数は、クロックパルスφの周波数の整数分の１であるため、クロックパルスφの劣化は防止されている。
以上のような第３実施形態によっても、第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。
【００４５】
以上、本発明の発振器を図示の各実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれら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、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、本発明の発振器は、前記各実施形態のうち、任意の２以上の構成（特徴）を組み合わせたものであってもよい。
例えば、上述した実施形態では、振動子として可動電極が方持ち支持された振動子を用いたが、これに限定されず、例えば、可動電極が両持ち支持された振動子、櫛歯型静電アクチュエータ等の、静電引力によって駆動し、弾性振動可能な各種振動子を用いることができる。
【符号の説明】
【００４６】
１、１Ｂ、１Ｃ……発振器 ２……発振回路 ２１……振動子 ２１１……基板 ２１２……固定電極 ２１３……可動電極 ２１４……支持部 ２１５……可動板 ２１６……連結部 ２２……バイアス回路 ２３……第１の増幅回路 ２４……第２の増幅回路 ３……基準電圧供給回路 ４、４Ｂ……電圧調整回路 ４１……昇圧回路 ４１１……クロック発生回路 ４１２……チャージポンプ回路 ４２……分圧回路 ５Ａ、５Ｂ……緩衝回路 ６……分周回路 １００……外部回路 ＭＤ１、ＭＤ２、ＭＤ３、ＭＤ４、ＭＤ５……スイッチング素子 Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃｏｕｔ……コンデンサ Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４……抵抗器 ＳＷ１、ＳＷ２……スイッチ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を利用し、半導体基板にＭＥＭＳ素子を備えた発振器が知られている。このような発振器においては、ＭＥＭＳ素子が振動子として用いられ、目的とする周波数のクロックパルスを外部の回路等に出力する。
【０００３】
発振器の振動子に用いられるＭＥＭＳ素子としては、例えば、固定電極と可動電極とを有し、これらの電極間に特定の交流電圧を印加することにより、可動電極が振動するものが知られている（例えば、特許文献１）。また、前記特定の交流電圧は、可動電極の固有振動周波数（以下、共振周波数）である事が一般的である。
このような発振器として、例えば、図１１に示す発振器が挙げられる。図１１に示す発振器は、ＭＥＭＳ振動子と能動回路から構成された発振回路と、ＭＥＭＳ振動子にバイアス電圧を印加するためのバイアス電圧印加回路と、発振器と外部回路との間の相互干渉を防ぐための緩衝回路とで構成されている。
【０００４】
このような発振器に備えられた振動子は、前記可動電極及び前記固定電極間に印加する静的な電圧（バイアス電圧）を変化させると、共振周波数が変化する性質を有する。なお、バイアス電圧は直流電圧である事が一般的である。このため、印加するバイアス電圧を調整して、共振周波数を調整する事が可能である。このような振動子は、非常に微小なものであるため、精度よくその共振周波数を目的とする範囲内に収めるように製造することが難しいが、バイアス電圧を適宜調整することにより、共振周波数を目的とする範囲内に収めることが可能である。
【０００５】
また、印加可能なバイアス電圧に対して、バイアス電圧による振動子の共振周波数が十分に小さい場合には、振動子は、バイアス電圧が大きいほど周波数の変動幅が増加する性質を持つ。このため、振動子の周波数変動幅を広げたい場合には意図的に高いバイアス電圧を振動子に印加する場合もある。
また、振動子（ＭＥＭＳ素子）の適切なバイアス電圧は、振動子の形状、形態により決定されるが、その形状によっては前記発振器の能動回路の駆動電圧よりも高い電圧が必要となる場合がある。発振回路の能動回路の動作電圧は比較的低い値（例えば、３Ｖ）に設定される場合が多いが、前記バイアス電圧の適切値がこれを超える場合（例えば、５〜１０Ｖ）は、昇圧回路の付加が必要となる。
【０００６】
共振周波数を目的とする範囲内に収めるため、または振動子の周波数変動幅を広げるための発振器としては、例えば、図１２に示す構成の発振器が挙げられる。このような発振器を用いた場合、印加するバイアス電圧により発振回路の発振周波数を調整する事が可能となる。
図１２に示す発振器は、基準電圧を供給する基準電圧供給回路と、基準電圧をより高い電圧に変換する昇圧回路と、昇圧された電圧を振動子に印加し、振動子の振動からクロックパルスを得て外部回路に出力する発振回路と発振器と外部回路との間の相互干渉を防ぐための緩衝回路で構成されている。
【０００７】
このように、適切なバイアス電圧を印加するため、もしくは、振動子の共振周波数の変動範囲を広げるために、バイアス電圧を昇圧する昇圧回路が用いられる場合がある。昇圧回路としては、チャージポンプ回路が好適に用いられる。チャージポンプ回路は、比較的面積の小さいものであり、例えば、半導体基板上に収納できるため、発振器の小型化に適している。しかしながら、チャージポンプ回路は、クロックパルスを外部から得て作動する。このため、外部にある水晶振動子等のクロックパルスをチャージポンプ回路に用いた場合、水晶振動子等のクロックパルスは、発振器及び振動子（ＭＥＭＳ素子）とは必ずしも周波数が一致しないため、この干渉により発振器から発信されるクロックパルスが劣化する（例えば、ノイズの増大）問題が懸念される。このように発振器から発信されるクロックパルスが劣化すると、発振器から出力されるクロックパルスを利用するマイコン、コントローラ等の外部回路において誤動作が生じる恐れがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−１１１８３１公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、劣化が少なく目的とする周波数のクロックパルスを出力することのできる発振器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の発振器は、固定電極と空隙を隔てて配置された可動電極とを有する振動子を用いた発振器であって、
基準電圧を供給する基準電圧供給回路と、
クロックパルスの入力によって作動する昇圧回路を備え、前記基準電圧を所定の大きさの電圧に変換して出力する電圧調整回路とを有し、
前記振動子は、前記電圧調整回路から出力された前記所定の大きさが電圧を前記固定電極と前記可動電極との間に印加されるように構成されており、
前記昇圧回路に入力される前記クロックパルスは、前記振動子を発信源として得られたものであることを特徴とする。
これにより、劣化が少なく目的とする周波数のクロックパルスを出力することのできる発振器を提供することができる。
【００１１】
本発明の発振器では、前記電圧調整回路から出力される電圧の大きさを前記所定の大きさに調整することより、前記振動子の共振周波数を所定の数値範囲内に設定することが好ましい。
これにより、劣化が少なく目的とする周波数のクロックパルスを出力することのできる発振器を提供することができる。
【００１２】
本発明の発振器では、前記振動子の振動を基に前記クロックパルスを生成し、該クロックパルスを前記昇圧回路および外部に出力する発振回路を有することが好ましい。
これにより、劣化が少なく目的とする周波数のクロックパルスを出力することのできる発振器を提供することができる。
本発明の発振器では、前記発振回路と前記昇圧回路との間に、前記クロックパルスが通過する緩衝回路を有することが好ましい。
これにより、昇圧回路の動作が発振回路のクロックパルスの生成に影響を与えることを防止することができる。
【００１３】
本発明の発振器では、前記電圧調整回路は、分圧回路を有し、
該分圧回路は、前記基準電圧をより低い電圧に変換して前記昇圧回路に出力し、
前記昇圧回路は、前記分圧回路から入力された電圧をより高い電圧に変換して前記所定の大きさの電圧として出力することが好ましい。
これにより、振動子に印加する電圧の大きさを調整することがより容易となる。
【００１４】
本発明の発振器では、前記電圧調整回路は、分圧回路を有し、
前記昇圧回路は、前記基準電圧をより高い電圧に変換して前記分圧回路に出力し、
前記分圧回路は、前記昇圧回路から入力された電圧をより低い電圧に変換して前記所定の大きさの電圧として出力することが好ましい。
これにより、振動子に印加する電圧の大きさを調整することがより容易となる。
本発明の発振器では、前記振動子を発信源とする前記クロックパルスを分周して前記昇圧回路に入力する分周回路を有することが好ましい。
これにより、振動子が発生させるクロックパルスの周波数が高く、昇圧回路の作動に適していないものであっても、分周して用いることにより昇圧回路が好適に作動する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る発振器のブロック図である。
【図２】図１に示す発振器が備える発振回路の回路図である。
【図３】図２に示す発振回路が備える振動子の概略断面図である。
【図４】図３に示す振動子の共振周波数と振動子に印加されるバイアス電圧との関係を示すグラフである。
【図５】図１に示す発振器が備える昇圧回路の回路図である。
【図６】図１に示す発振器が備える分圧回路の回路図である。
【図７】図１に示す発振器の作動時における昇圧回路の出力電圧および振動子の共振周波数の時間変化をしめすグラフである。
【図８】本発明の第２実施形態に係る発振器のブロック図である。
【図９】本発明の第３実施形態に係る発振器のブロック図である。
【図１０】従来の発振器の実施形態の一例を示すブロック図および発振器に備えられた発振回路の一例を示す回路図である。
【図１１】従来の発振器の実施形態の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の発振器を添付図面に示す各実施形態に基づいて詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る発振器のブロック図、図２は、図１に示す発振器が備える発振回路の回路図、図３は、図２に示す発振回路が備える振動子の概略断面図、図４は、図３に示す振動子の共振周波数と振動子に印加されるバイアス電圧との関係を示すグラフ、図５は、図１に示す発振器が備える昇圧回路の回路図、図６は、図１に示す発振器が備える分圧回路の回路図、図７は、図１に示す発振器の作動時における昇圧回路の出力電圧および振動子の共振周波数の時間変化を示すグラフである。なお、以下では、説明の便宜上、図１〜図７の上側を「上」、下側を「下」、右側を「右」、左側を「左」と言う。
【００１７】
図１に示す発振器１は、発振回路２と、基準電圧供給回路３と、電圧調整回路４と、緩衝回路５Ａ、５Ｂとを有している。
このような発振器１においては、発振回路２において所定の周波数を有するクロックパルスが生成され、該クロックパルスは、発振器１から外部回路１００へ出力される。また、発振器１は、通常、半導体基板上に設けられており、例えば、ＩＣチップ中の電子回路として設けられている。
【００１８】
以下、発振器１の各部について説明する。
図２に示すように、発振回路２は、振動子２１と、バイアス回路２２と、第１の増幅回路２３と、第２の増幅回路２４とを有している。
図３に示すように、振動子２１は、基板２１１上に設けられており、基板２１１上に形成された固定電極２１２と、可動電極２１３とを有している。
【００１９】
可動電極２１３は、基板２１１上に形成された支持部２１４と、固定電極２１２と空隙を隔てて対向配置された可動板（可動部）２１５と、支持部２１４と可動板２１５とを連結する連結部２１６とを有している。可動板２１５は、連結部２１６を介して支持部２１４に片持ち支持されている。
可動板２１５は、弾性を有し、所定のばね定数を有しているため、上下方向に力が加えられることにより、上下方向に弾性振動することができる。
【００２０】
また、可動板２１５と固定電極２１２との間に、可動板２１５の固有振動数と同等の周波数を持つパルスを注入すると、可動板２１５が振動（共振）し、固定電極２１２および可動板２１５間の容量が変化するために、電流が流れ、この結果、振動子２１より共振周波数（固有振動周波数）の信号が出力される（共振される）。
また、振動子２１には、バイアス回路２２を介して、電圧調整回路４において調整された所定の大きさの静的な（直流の）電圧がバイアス電圧として、印加されている。振動子２１の可動板２１５の共振周波数（以下、単に「振動子２１の共振周波数」ともいう。）は、固定電極２１２と可動電極２１３との間に印加されるバイアス電圧の大きさによって変化するため、バイアス電圧の大きさを適宜調整することにより、振動子２１の共振周波数を所望の値に設定することができる。すなわち、振動子２１は、微小であるため、設計された寸法からの誤差が生じやすく、共振周波数が、所望の値からずれやすいが、このようにバイアス電圧の大きさを設定することにより、共振周波数の所望の値からの誤差を修正することができる。
【００２１】
これは、バイアス電圧が固定電極２１２と可動電極２１３との間に印加されることにより、可動板２１５の「見かけ上のばね定数」が変化することによる。図４に示すように、固定電極２１２と可動電極２１３との間に印加されるバイアス電圧が大きくなるほど、振動子２１の共振周波数は低下し、また、共振周波数の低下の度合いも大きくなる。なお、発振器１は、後述する昇圧回路４１を備えた電圧調整回路４を有するため、比較的大きなバイアス電圧を振動子２１に印加することができる。
また、振動子２１に印加されるバイアス電圧が大きすぎる場合、可動板２１５が固定電極２１２に吸引されて接触する（Ｐｕｌｌ−ｉｎ）。このため、バイアス電圧は、このような現象が起きない範囲の大きさで調整される。
【００２２】
図３に示すように、第１の増幅回路２３は、振動子２１から出力された信号を増幅する。増幅された信号は、その一部が第２の増幅回路２４へ入力されるとともに、振動子２１に帰還して振動子２１に注入される。
第２の増幅回路２４は、第１の増幅回路２３から入力された信号をさらに増幅する。そして、第２の増幅回路２４によって増幅された信号（クロックパルスφ）は、電圧調整回路４および外部回路１００に出力される。
【００２３】
以上のような発振回路２は、以下のようにしてクロックパルスを出力する。まず、バイアス回路２２を介して電圧調整回路４からバイアス電圧が振動子２１に入力されることにより、振動子２１が動作可能な状態となり、さらに、振動子２１に共振周波数成分を含む交流信号が注入され、かつ、振動子２１および第１の増幅回路２３を含む閉ループで発振条件が満たされた場合、回路が発振する。この発振により生じた信号の一部が第２の増幅回路２４で増幅され、クロックパルスφが発振回路２より出力される。なお、発振回路２の起動時においては、振動子２１にバイアス電圧を最初に印加した場合等に生じる振動子２１への印加電圧の変動により振動子２１が振動を開始して交流電流が流れ、この交流電流が第１の増幅回路２３によって増幅されて振動子２１に帰還する。振動子２１に注入される共振周波数成分を含む交流信号は、通常、この帰還した交流電流である。
【００２４】
図１に示すように、基準電圧供給回路３は、電圧調整回路４への印加電圧（基準電圧Ｖｂ）を発生する。なお、基準電圧供給回路３からの印加電圧は、図１では昇圧回路４１のみに前記基準電圧は供給されているが、図中の他回路（発振回路２、緩衝回路５Ａ、５Ｂなど）へ併せて供給されていてもよい。
電圧調整回路４は、昇圧回路４１と、昇圧回路４１の後段に設けられた分圧回路４２とを有している。
電圧調整回路４は、昇圧回路４１により基準電圧Ｖｂをより高い電圧Ｖｏに変換するとともに、分圧回路４２において昇圧回路４１で昇圧された電圧Ｖｏをより低い電圧Ｖｐに変換することにより、振動子２１の共振周波数が所望の値となるような大きさの静的なバイアス電圧Ｖｐを発生させ、これを発振回路２に供給する。
【００２５】
図５に示すように、昇圧回路４１は、クロック発生回路４１１とチャージポンプ回路４１２とを有している。上述したように、昇圧回路４１により基準電圧Ｖｂをより高い電圧Ｖｏに変換して出力する。
クロック発生回路４１１は、発振回路２で発生したクロックパルスφを用い、周波数および位相がクロックパルスφと同一の正相クロックパルスＶφと、位相がクロックパルスＶφと反転した以外は正相クロックパルスＶφと同一の逆相クロックパルスＶ¬φとを発生させ、チャージポンプ回路４１２に入力する。正相クロックパルスＶφ 、逆相クロックパルスＶ¬φは、いずれもＬレベルのときに０ボルト、ＨレベルのときにＶｂボルトとなるように設定されている。
【００２６】
なお、符号「¬ 」は、反転、つまり正相に対する逆相を意味する。また、クロック発生回路４１１は、クロック発生回路４１１を駆動させるための電位Ｖｄｄと、接地電位Ｖｓｓとの電位差による電圧が供給されており、これを動力として作動する。
チャージポンプ回路４１２は、いわゆるＤｉｃｋｓｏｎチャージポンプ回路であり、正相クロックパルスＶφおよび逆相クロックパルスＶ¬φを利用して、入力された基準電圧Ｖｂをより大きい電圧Ｖｏを出力する。
【００２７】
チャージポンプ回路４１２は、直列接続された５つのスイッチング素子（ダイオード接続ＮＭＯS）ＭＤ１、ＭＤ２、ＭＤ３、ＭＤ４、ＭＤ５と、これらのスイッチング素子ＭＤ１〜ＭＤ５の各接続点に一端側が接続される４つのコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４と、これらのスイッチング素子ＭＤ１〜ＭＤ５のうち、終段のスイッチング素子ＭＤ５の出力側に一端側が接続されるコンデンサＣｏｕｔとを備える。また、コンデンサＣ１、Ｃ３の他端側（図中、下側）には、正相クロックパルスＶφが入力されるようにクロック発生回路４１１と接続されており、コンデンサＣ２、Ｃ４の他端側（図中、下側）には、逆相クロックパルスＶ¬φが入力されるようにクロック発生回路４１１と接続されている。また、昇圧される基準電圧Ｖｂは、スイッチング素子ＭＤ１の入力側から入力され、昇圧された電圧Ｖｏは、スイッチング素子ＭＤ５の出力側から出力される。
【００２８】
このような回路においては、正相クロックパルスＶφがＬレベル（０ボルト）、逆相クロックパルスＶ¬φがＨレベル（Ｖｂボルト）のときには、コンデンサＣ１、Ｃ３の他端側電位が０ボルト、コンデンサＣ２、Ｃ４の他端側電位がＶｂボルトになるので、スイッチング素子ＭＤ１、ＭＤ３が導通状態となるとともにスイッチング素子ＭＤ２、ＭＤ４が遮断状態となる。このため、コンデンサＣ１には入力される基準電圧Ｖｂ相当（Ｖｂ−ＶＦ）による電流が流れ込む一方で、コンデンサＣ２、Ｃ４にはＶｂボルト分加算された電位による電流がそれぞれ次段のコンデンサＣ３、Ｃｏｕｔに流れ込む。ここで、ＶＦとは、各スイッチング素子ＭＤ１〜ＭＤ５を通過する際の順方向降下電圧を表わす。
【００２９】
これに対し、正相クロックパルスＶφがＨレベル（Ｖｂボルト）、逆相クロックパルスＶ¬φがＬレベル（０ボルト）のときには、コンデンサＣ２、Ｃ４の他端側電位が０ボルト、コンデンサＣ１、Ｃ３の他端側電位がＶｂボルトになるので、スイッチング素子ＭＤ２、ＭＤ４が導通状態となるとともにスイッチング素子ＭＤ１、ＭＤ３が遮断状態となる。このため、電圧Ｖｂ分だけ電位が増加したコンデンサＣ１、Ｃ３による電流がそれぞれ次段のコンデンサＣ２、Ｃ４に流れ込む。
【００３０】
このようなスイッチング素子ＭＤ１〜ＭＤ４によるスイッチング動作とコンデンサＣ１〜Ｃ４、Ｃｏｕｔによる充放電動作とにより、コンデンサＣ２には入力電圧Ｖｂの約２倍の電圧（２Ｖｂ−２ＶＦ）、コンデンサＣ３には基準電圧Ｖｂの約３倍の電圧（３Ｖｂ−３ＶＦ）、コンデンサＣ４には基準電圧Ｖｂの約４倍の電圧（４Ｖｂ−４ＶＦ）がそれぞれ充電され、終段のコンデンサＣｏｕｔには入力電圧Ｖｂの約５倍の電圧（５Ｖｂ−５ＶＦ）が充電される。これにより、出力電圧Ｖｏとして約５Ｖｂボルトを取り出して、分圧回路４２に出力することが可能となる。
【００３１】
上述したような昇圧回路４１は、発振回路２から出力されたクロックパルスφを利用し、基準電圧Ｖｂをより高い電圧に変換している。このように、昇圧回路４１が発振回路２から出力されたクロックパルスφを用いることにより、発振器１の外部からクロックパルスを得る必要がなくなるため、発振器１では、発振回路２由来のクロックパルスのみが使用される。この結果、例えば、外部のクロックパルスと振動子２１とのクロックパルスとが干渉することによる、発振回路２から出力されるクロックパルスφの劣化が、防止される。また、発振器１内に新たな振動子を有する必要がないため、発振器１が簡素化され、発振器１や発振器１が搭載された半導体基板のチップサイズが小さいものとなる。
【００３２】
なお、このチャージポンプ回路４１２は、必要に応じて、出力電圧Ｖｏの大きさを変更可能である。例えば、コンデンサＣ１とスイッチング素子ＭＤ２との間、コンデンサＣ２とスイッチング素子ＭＤ３との間、コンデンサＣ３とスイッチング素子ＭＤ４との間、コンデンサＣ３とスイッチング素子ＭＤ４との間から、それぞれ電圧を取り出して出力電圧Ｖｏとすることができる（回路は図示せず）。また、昇圧の必要がない場合には、スイッチング素子ＭＤ１の入力側から電圧を取り出して、出力電圧Ｖｏとすることができる（回路は図示せず）。
分圧回路４２は、上述したように、昇圧回路４１で昇圧された電圧Ｖｏをより低い電圧Ｖｐに変換して発振回路２に入力する。
【００３３】
図６に示すように、分圧回路４２は、抵抗分圧回路であり、直列接続された抵抗器Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４と、スイッチＳＷ１、ＳＷ２とを有している。
スイッチＳＷ１は、抵抗器Ｒ１と抵抗器Ｒ２との間に接続された線と、抵抗器Ｒ２と抵抗器Ｒ３との間に接続された線とを接続可能である。スイッチＳＷ２は、抵抗器Ｒ２と抵抗器Ｒ３との間に接続された線と、抵抗器Ｒ４と抵抗器Ｒ４との間に接続された線とを接続可能である。
【００３４】
そして、分圧回路４２は、抵抗器Ｒ１の抵抗値と、抵抗器Ｒ２〜Ｒ４のうち使用される抵抗器の総合の抵抗値との関係により、抵抗器Ｒ１の上部にある入力端子から入力された電圧Ｖｏを分圧（降圧）し、抵抗器Ｒ１と抵抗器Ｒ２との間から出力されるバイアス電圧Ｖｐとして発振回路２に出力する。
なお、スイッチＳＷ１を接続することにより、抵抗器Ｒ２を短絡させることができ、スイッチＳＷ２を接続することにより、抵抗器Ｒ３を短絡させることができ、これらにより、抵抗器Ｒ２〜Ｒ４のうち使用される抵抗器の総合の抵抗値を変化させることができるため、バイアス電圧Ｖｐを適宜調整することができる。
【００３５】
なお、図示では抵抗器４個，スイッチ２個の例を挙げているが、必ずしもこれに限らない。例えば、抵抗器は必要な分解能を確保するための数（例えば８個）を設ける事も可能であり、またそれを切り替えるスイッチも必要な数（例えば６個）を設ける事も可能である。更に、発振回路２への供給端子の出力位置も、図示のＲ１とＲ２の中点に限らず、使用する抵抗器のうちの適切な接続点から出す事も可能である。要は、発振回路２へ供給する電圧に応じて適切な電位を出力できる機能を備えていればよい。
【００３６】
緩衝回路５Ａは、バッファアンプであり、発振回路２と昇圧回路４１との間に設けられている。緩衝回路５Ａでは、発振回路２から出力され、昇圧回路４１に入力されるクロックパルスφが通過する。そして、昇圧回路４１と発振回路２との相互の動作に影響を与えることを防止する。
緩衝回路５Ｂは、バッファアンプであり、発振回路２と外部回路１００との間に設けられている。緩衝回路５Ｂでは、発振回路２から出力され、外部回路１００に入力されるクロックパルスφが通過する。そして、外部回路１００と発振回路２との相互の動作に影響を与えることを防止する。
【００３７】
なお、緩衝回路５Ａ、５Ｂは、省略することもできる。
また、図示していないが、基準電圧供給回路３、昇圧回路４１および分圧回路４２を各々接続する場合、相互に干渉が懸念される場合がある。この場合は各々の接続について、緩衝回路を介在させて接続してもよい。
以上のような構成を有する発振器１は、電圧調整回路４を有することにより、発振回路２に入力されるバイアス電圧を調整することできるため、振動子２１に製造時における周波数特性のずれ（誤差）が生じている場合であっても、所望の共振周波数で発振することができる。特に、昇圧回路４１が用いるクロックパルスとして、発振回路２が発するクロックパルスφを用いることにより、外部のクロックパルスを用いる場合と比較して、発振回路２で出力されるクロックパルスφが劣化すること（例えば、ノイズが入ること）が防止される。また、外部のクロックパルスを用いないことにより、発振器１の外部に発振回路を設ける必要がなくなり、半導体基板上の回路を簡素化することができる。
また、図７に示されるグラフには、上述したような発振器１の作動時における、昇圧回路４１の出力電圧Ｖｏ、および振動子２１の共振周波数ｆｒの時間変化を示した。
【００３８】
発振器１を起動してすぐには昇圧回路４１の出力電圧Ｖｏは目的とする大きさとはならず、初期の出力電圧は、基準電圧Ｖｂである。そして、出力電圧Ｖｏは、一定時間かけて上昇し、目的とする大きさとなった時点で定常状態となる。
一方、振動子２１の共振周波数ｆｒは、上述したようにバイアス電圧Ｖｐによって変化する。発振器１の動作当初は、昇圧回路４１からの出力電圧Ｖｏが低いため、バイアス電圧Ｖｐが低くなっており、共振周波数ｆｒは高いものとなる。そして、昇圧回路４１からの出力電圧Ｖｏが上昇するにつれて共振周波数ｆｒは低下し、出力電圧Ｖｏが一定となった時点で共振周波数ｆｒは一定となる。
【００３９】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の発振器の第２実施形態について説明する。
図８は、本発明の第２実施形態に係る発振器のブロック図である。
以下、第２実施形態について、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。なお、前述した第１実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
【００４０】
本発明の第２実施形態にかかる発振器１Ｂは、電圧調整回路４Ｂの構成が第１実施形態と異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。
本実施形態において、電圧調整回路４Ｂは、昇圧回路４１および分圧回路４２を有するが、入力される基準電圧Ｖｂの処理の順序が異なる。すなわち、基準電圧供給回路３からの基準電圧Ｖｂは、分圧回路４２へ入力される。そして、分圧回路４２において、基準電圧Ｖｂは、より小さい電圧Ｖｏ’に変換されて出力される。次に、分圧回路４２において出力された電圧Ｖｏ’は、昇圧回路４１に入力され、より高い電圧Ｖｐとして出力される。
そして、昇圧回路４１から出力された電圧Ｖｐは、バイアス電圧Ｖｐとして発振回路２に入力される。
以上のような第２実施形態によっても、第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。
【００４１】
＜第３実施形態＞
次に、本発明の発振器の第３実施形態について説明する。
図９は、本発明の第３実施形態に係る発振器のブロック図である。
以下、第３実施形態について、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。なお、前述した第１実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
【００４２】
本発明の第３実施形態にかかる発振器１Ｃは、緩衝回路５Ａと昇圧回路４１との間に分周回路６を有すること以外は、前述した第１実施形態と同様である。
分周回路６は、発振回路２から緩衝回路５Ａを介して入力されたクロックパルスφをより低い周波数のクロックパルスφ’に変換して出力する。具体的には、分周回路において、クロックパルスφの周波数を利用して、クロックパルスφの周波数の整数分の１（１／ｎ）の周波数のクロックパルスφ’を生成する。
【００４３】
分周回路６から出力されたクロックパルスφ’は、昇圧回路４１へ入力され、基準電圧Ｖｂの変換に用いられる。これにより、例えば、発振回路２から出力されるクロックパルスφの周波数が高く、昇圧回路４１が作動しにくい場合であっても、分周回路６において生成されたより周波数の低いクロックパルスφ’を用いることにより昇圧回路４１が好適に作動する。
【００４４】
なお、このような場合、発振器１内には、異なる周波数の２つのクロックパルス（クロックパルスφおよびクロックパルスφ’）が存在することになるが、クロックパルスφ’の周波数は、クロックパルスφの周波数の整数分の１であるため、クロックパルスφの劣化は防止されている。
以上のような第３実施形態によっても、第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。
【００４５】
以上、本発明の発振器を図示の各実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれら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、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、本発明の発振器は、前記各実施形態のうち、任意の２以上の構成（特徴）を組み合わせたものであってもよい。
例えば、上述した実施形態では、振動子として可動電極が方持ち支持された振動子を用いたが、これに限定されず、例えば、可動電極が両持ち支持された振動子、櫛歯型静電アクチュエータ等の、静電引力によって駆動し、弾性振動可能な各種振動子を用いることができる。
【符号の説明】
【００４６】
１、１Ｂ、１Ｃ……発振器 ２……発振回路 ２１……振動子 ２１１……基板 ２１２……固定電極 ２１３……可動電極 ２１４……支持部 ２１５……可動板 ２１６……連結部 ２２……バイアス回路 ２３……第１の増幅回路 ２４……第２の増幅回路 ３……基準電圧供給回路 ４、４Ｂ……電圧調整回路 ４１……昇圧回路 ４１１……クロック発生回路 ４１２……チャージポンプ回路 ４２……分圧回路 ５Ａ、５Ｂ……緩衝回路 ６……分周回路 １００……外部回路 ＭＤ１、ＭＤ２、ＭＤ３、ＭＤ４、ＭＤ５……スイッチング素子 Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃｏｕｔ……コンデンサ Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４……抵抗器 ＳＷ１、ＳＷ２……スイッチ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定電極と空隙を隔てて配置された可動電極とを有する振動子を用いた発振器であって、
基準電圧を供給する基準電圧供給回路と、
クロックパルスの入力によって作動する昇圧回路を備え、前記基準電圧を所定の大きさの電圧に変換して出力する電圧調整回路とを有し、
前記振動子は、前記電圧調整回路から出力された前記所定の大きさが電圧を前記固定電極と前記可動電極との間に印加されるように構成されており、
前記昇圧回路に入力される前記クロックパルスは、前記振動子を発信源として得られたものであることを特徴とする発振器。
【請求項２】
前記電圧調整回路から出力される電圧の大きさを前記所定の大きさに調整することより、前記振動子の共振周波数を所定の数値範囲内に設定する請求項１に記載の発振器。
【請求項３】
前記振動子の振動を基に前記クロックパルスを生成し、該クロックパルスを前記昇圧回路および外部に出力する発振回路を有する請求項１または２に記載の発振器。
【請求項４】
前記発振回路と前記昇圧回路との間に、前記クロックパルスが通過する緩衝回路を有する請求項３に記載の発振器。
【請求項５】
前記電圧調整回路は、分圧回路を有し、
該分圧回路は、前記基準電圧をより低い電圧に変換して前記昇圧回路に出力し、
前記昇圧回路は、前記分圧回路から入力された電圧をより高い電圧に変換して前記所定の大きさの電圧として出力する請求項１ないし４のいずれかに記載の発振器。
【請求項６】
前記電圧調整回路は、分圧回路を有し、
前記昇圧回路は、前記基準電圧をより高い電圧に変換して前記分圧回路に出力し、
前記分圧回路は、前記昇圧回路から入力された電圧をより低い電圧に変換して前記所定の大きさの電圧として出力する請求項１ないし４のいずれかに記載の発振器。
【請求項７】
前記振動子を発信源とする前記クロックパルスを分周して前記昇圧回路に入力する分周回路を有する請求項１ないし６のいずれかに記載の発振器。
【請求項１】
固定電極と空隙を隔てて配置された可動電極とを有する振動子を用いた発振器であって、
基準電圧を供給する基準電圧供給回路と、
クロックパルスの入力によって作動する昇圧回路を備え、前記基準電圧を所定の大きさの電圧に変換して出力する電圧調整回路とを有し、
前記振動子は、前記電圧調整回路から出力された前記所定の大きさが電圧を前記固定電極と前記可動電極との間に印加されるように構成されており、
前記昇圧回路に入力される前記クロックパルスは、前記振動子を発信源として得られたものであることを特徴とする発振器。
【請求項２】
前記電圧調整回路から出力される電圧の大きさを前記所定の大きさに調整することより、前記振動子の共振周波数を所定の数値範囲内に設定する請求項１に記載の発振器。
【請求項３】
前記振動子の振動を基に前記クロックパルスを生成し、該クロックパルスを前記昇圧回路および外部に出力する発振回路を有する請求項１または２に記載の発振器。
【請求項４】
前記発振回路と前記昇圧回路との間に、前記クロックパルスが通過する緩衝回路を有する請求項３に記載の発振器。
【請求項５】
前記電圧調整回路は、分圧回路を有し、
該分圧回路は、前記基準電圧をより低い電圧に変換して前記昇圧回路に出力し、
前記昇圧回路は、前記分圧回路から入力された電圧をより高い電圧に変換して前記所定の大きさの電圧として出力する請求項１ないし４のいずれかに記載の発振器。
【請求項６】
前記電圧調整回路は、分圧回路を有し、
前記昇圧回路は、前記基準電圧をより高い電圧に変換して前記分圧回路に出力し、
前記分圧回路は、前記昇圧回路から入力された電圧をより低い電圧に変換して前記所定の大きさの電圧として出力する請求項１ないし４のいずれかに記載の発振器。
【請求項７】
前記振動子を発信源とする前記クロックパルスを分周して前記昇圧回路に入力する分周回路を有する請求項１ないし６のいずれかに記載の発振器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−２３２７９１（Ｐ２０１０−２３２７９１Ａ）
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−７５９０７（Ｐ２００９−７５９０７）
【出願日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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