発振器
【課題】消費電流を増大させることなしに高速起動可能なＭＥＭＳ発振器の提供。
【解決手段】ドライバアンプと、ＬＣ共振回路を備える第１共振器と、ＭＥＭＳ共振器を備える第２共振器と、接続および開放を切り換え可能なスイッチ回路と、スイッチ回路を制御するスイッチ制御部と、を有するＭＥＭＳ発振器であって、ドライバアンプ、第１共振器、および、スイッチ回路は、ドライバアンプの出力信号の少なくとも一部をドライバアンプへ帰還させる第１閉ループ回路を形成し、ドライバアンプ、および、第２共振器は、第１閉ループ回路とは別の、ドライバアンプの出力信号の少なくとも一部をドライバアンプへ帰還させる第２閉ループ回路を形成し、スイッチ制御部は、ＭＥＭＳ発振器の起動期間の少なくとも一部においてスイッチ回路を接続し、所定の条件が満たされる場合に、スイッチ回路を開放する、ＭＥＭＳ発振器。
【解決手段】ドライバアンプと、ＬＣ共振回路を備える第１共振器と、ＭＥＭＳ共振器を備える第２共振器と、接続および開放を切り換え可能なスイッチ回路と、スイッチ回路を制御するスイッチ制御部と、を有するＭＥＭＳ発振器であって、ドライバアンプ、第１共振器、および、スイッチ回路は、ドライバアンプの出力信号の少なくとも一部をドライバアンプへ帰還させる第１閉ループ回路を形成し、ドライバアンプ、および、第２共振器は、第１閉ループ回路とは別の、ドライバアンプの出力信号の少なくとも一部をドライバアンプへ帰還させる第２閉ループ回路を形成し、スイッチ制御部は、ＭＥＭＳ発振器の起動期間の少なくとも一部においてスイッチ回路を接続し、所定の条件が満たされる場合に、スイッチ回路を開放する、ＭＥＭＳ発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発振器に関し、特に、微小電気機械共振器（ＭＥＭＳ共振器）を用いた発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
発振器は、電子機器の動作の基準を示すクロック信号を生成するデバイスとして、電子機器にとって必要不可欠のデバイスである。そのような発振器の代表例として、水晶振動子を用いた水晶発振器を挙げることができる。
【０００３】
水晶発振器は発振精度に優れた発振器であるが、小型化が困難であり、かつ集積化に不向きである。加えて、水晶発振器の製造プロセスにおいては天然水晶から高純度の人工水晶を精製する必要がある。人工水晶の精製では、オートクレーブと呼ばれる耐圧性のある鋼鉄製の炉の中で天然水晶を溶解し、高温・高圧下で時間をかけて結晶を成長させる。このため、水晶発振器にあっては、その納期を短縮することは非常に困難である。
【０００４】
水晶発振器にかかる上述の課題を解決できる発振器として、水晶振動子の代わりに微小電気機械共振器（ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）共振器）を用いた発振器が知られる。ＭＥＭＳ共振器は、例えば、シリコンに振動部や電極等の微細構造を形成して構成される共振器であり、水晶振動子と較べて半導体プロセスとの親和性が高く小型化が容易である。なお、以下では、ＭＥＭＳ共振器を用いた発振器を「微小電気機械発振器」（「ＭＥＭＳ発振器」）と称する。
【０００５】
図７は、従来のＭＥＭＳ発振器の構成を示すブロック図である。
【０００６】
従来のＭＥＭＳ発振器は、増幅回路であるドライバアンプ１００１と、共振回路であるＭＥＭＳ共振器１００２とを有し、ドライバアンプ１００１の出力の一部がＭＥＭＳ共振器１００２を介して帰還されることにより増幅される帰還型発振回路である。
【０００７】
図８に、ＭＥＭＳ共振器１００２の共振特性１００３および典型的な水晶振動子（水晶共振器）の共振特性１１０３を示す。ＭＥＭＳ共振器１００２のゲインｇｍは、当然のことながらそのインピーダンスや浮遊容量の大きさ等により変化するものの、共振周波数ｆｒにおいて概ね−２０〜−４０ｄＢ程度である。これに対し、水晶振動子のゲインｇｑｔｚは、共振周波数ｆｒにおいて０ｄＢ以上に達する。よって、従来のＭＥＭＳ発振器のループゲインは、一般的に、水晶発振器のループゲインよりも小さい。そのため、従来のＭＥＭＳ発振器の起動期間は、一般に、水晶発振器の起動期間よりも長くなる傾向を有する。
【０００８】
電子機器のためのクロック生成手段として発振器を使用する場合、低消費電力化のため、クロック信号を必要とするときだけ発振器を動作させる（間欠的に動作させる）ことが一般的に行われる。よって、低消費電力化の観点からは、発振器の起動期間（起動から発振状態（所望の周波数で安定的に発振する状態）に至るまでの期間）は短いことが望ましい。
【０００９】
水晶発振器の起動期間の短縮化に寄与する技術文献として以下の特許文献が存在する。
【００１０】
特許文献１および特許文献２は、水晶発振器の起動期間を短縮化するための技術を開示する。図９は、特許文献１および特許文献２に記載の技術を用いた水晶発振器の構成を示すブロック図である。当該水晶発振器は、ドライバアンプ１２０１および水晶発振子を備えた水晶共振器１２０２に加え、起動期間短縮のために、専用のブースターアンプ１２０１ｂを備える。
【００１１】
図９を参照すれば、水晶共振器１２０２の出力端子はブースターアンプ１２０１ｂの入力端子に接続され、ブースターアンプ１２０１ｂの出力端子がドライバアンプ１２０１の入力端子に接続される。ブースターアンプ１２０１ｂは、水晶発振器の起動時にその帰還回路のループゲインを拡大させる作用を有する。これにより、水晶発振器の起動が高速化される。
【００１２】
特許文献３もまた、水晶発振器の起動期間を短縮化するための技術を開示する。同文献に記載の水晶発振器では、共振回路内に水晶振動子と並列にインダクタを設け、該インダクタと、同インダクタと直列に接続されたキャパシタとの共振作用を用いて起動時の発振出力の立ち上がりが高速化される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００８−１３６０３２号公報
【特許文献２】特開２００９−２３９９７１号公報
【特許文献３】特開昭６１−１２０５０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、特許文献１および特許文献２に記載の構成（図９参照。）では、ブースターアンプ１２０１ｂが動作する間、消費電流が増大するという課題を有していた。
【００１５】
また、特許文献３に記載の技術方策は、共振回路が、水晶発振子といったゲインが比較的大きい振動子を備える場合に有効な技術方策であり、共振回路のゲインがＭＥＭＳ共振器のように水晶発振子と比較して小さい場合には有効に機能しない。
【００１６】
本発明は、上記課題を鑑みてなされるものであり、起動時に消費電流を増大させることなしに高速起動可能なＭＥＭＳ発振器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の一態様は、ドライバアンプと、ＬＣ共振回路を備える第１共振器と、ＭＥＭＳ共振器を備える第２共振器と、接続および開放を切り換え可能なスイッチ回路と、スイッチ回路を制御するスイッチ制御部と、を有するＭＥＭＳ発振器であって、ドライバアンプ、第１共振器、および、スイッチ回路は、ドライバアンプの出力信号の少なくとも一部をドライバアンプへ帰還させる第１閉ループ回路を形成し、ドライバアンプ、および、第２共振器は、第１閉ループ回路とは別の、ドライバアンプの出力信号の少なくとも一部をドライバアンプへ帰還させる第２閉ループ回路を形成し、スイッチ制御部は、ＭＥＭＳ発振器の起動期間の少なくとも一部においてスイッチ回路を接続し、所定の条件が満たされる場合に、スイッチ回路を開放する、ＭＥＭＳ発振器である。
【００１８】
本発明の一態様においては、所定の条件は、ドライバアンプへの帰還信号およびドライバアンプからの出力信号の少なくともいずれかの大きさが所定値以上であること、であってよい。
【００１９】
本発明の一態様においては、所定の条件は、ＭＥＭＳ共振器が起動された時点から所定の時間が経過したこと、であってよい。
【００２０】
本発明の一態様においては、所定の条件は、ドライバアンプへの帰還信号およびドライバアンプからの出力信号の少なくともいずれかの大きさの時間変化が所定値未満であること、であってよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明にかかるＭＥＭＳ発振器においては、ＭＥＭＳ共振器の共振周波数におけるゲインよりも大きいゲインを有する別の共振回路を用いて起動時における発振信号の成長を促進させる。これにより、本発明にかかるＭＥＭＳ発振器は、消費電流を増大させずに高速に起動する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施の形態１によるＭＥＭＳ発振器の構成を示すブロック図
【図２】第１共振器の等価回路図
【図３】（ａ）第２共振器の斜視図、および、（ｂ）第２共振器の等価回路図
【図４】第１共振器および第２共振器の共振特性を示す図
【図５】（ａ）振幅モニタの構成を示すブロック図、および、（ｂ）振幅モニタ変形例の構成を示すブロック図
【図６】実施の形態１によるＭＥＭＳ発振器および従来のＭＥＭＳ発振器の発振信号の時間発展を示す図
【図７】従来のＭＥＭＳ発振器の構成を示すブロック図
【図８】水晶発振子およびＭＥＭＳ共振器の共振特性を示す図
【図９】従来の水晶発振器の構成を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００２４】
（実施の形態１）
１．概要
実施の形態１によるＭＥＭＳ発振器は、入力信号を増幅して出力する増幅部と増幅部へその出力の一部を帰還させる帰還部とを備えた帰還型発振器である。本ＭＥＭＳ発振器の帰還部は、ＭＥＭＳ共振器を備える第１閉ループ回路と、ＭＥＭＳ共振器の共振周波数においてＭＥＭＳ共振器のゲインよりも大きなゲインを有する直列ＬＣ共振回路を備える第２閉ループ回路とを備える。本ＭＥＭＳ発振器は、起動から所定の期間にわたり、直列ＬＣ共振回路（第１閉ループ回路）を介して増幅部の出力の一部を増幅部へ帰還させ、発振信号の振幅成長の促進を図る。そうすることにより、本ＭＥＭＳ発振器は高速起動可能であり、かつ従来技術のブースターアンプを用いる例のように起動時に消費電流が増大されない。
【００２５】
２．構成
図１は、実施の形態１によるＭＥＭＳ発振器１００の構成を示すブロック図である。
【００２６】
ＭＥＭＳ発振器１００は、ドライバアンプ１０１と、（直列）ＬＣ共振回路を備える第１共振器１０２と、ＭＥＭＳ共振器を備える第２共振器１０３と、ドライバアンプ１０１と第１共振器１０２とを接続および切断するスイッチ回路１０４と、所定の条件に基づいて、例えばドライバアンプ１０１が出力する発振信号の振幅の大きさに基づいて、スイッチ回路１０４を制御する振幅モニタ（スイッチ制御部）１０５と、を有する。
【００２７】
ドライバアンプ１０１の出力端子は、スイッチ回路１０４を介してＬＣ共振回路を備える第１共振器１０２の入力端子と接続される。そして、第１共振器１０２の出力端子は、ドライバアンプ１０１の入力端子と接続される。これにより、ドライバアンプ１０１、第１共振器１０２、および、スイッチ回路１０４は、閉ループ回路１０６を構成する。スイッチ回路１０４は、例えば、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）型トランジスタで構成されてよく、また、これに限定されない。なお、スイッチ回路１０４は、第１共振器１０２の出力端子と接続されてもよい。
【００２８】
また、ドライバアンプ１０１の出力端子は、ＭＥＭＳ共振器を備える第２共振器１０３の入力端子と接続される。そして、第２共振器１０３の出力端子は、ドライバアンプ１０１の入力端子と接続される。これにより、ドライバアンプ１０１、および、第２共振器１０３は、閉ループ回路１０７を構成する。
【００２９】
ドライバアンプ１０１の出力端子は、振幅モニタ１０５（スイッチ制御部）の入力端子とも接続され、振幅モニタ１０５は、ドライバアンプ１０１が出力する発振信号の大きさをモニタする。振幅モニタ１０５は、該発振信号の大きさにもとづいてスイッチ回路１０４を制御する。スイッチ回路１０４の構成および動作については、後でさらに詳しく説明する。
【００３０】
なお、振幅モニタ１０５は、第１共振器１０２の出力端子とドライバアンプ１０１の入力端子とを繋ぐラインに接続されてもよい。この場合、振幅モニタ１０５は、第１共振器１０２からドライバアンプ１０１へ帰還される帰還信号の大きさをモニタすることができ、該帰還信号の大きさにもとづいてスイッチ回路１０４を制御すればよい。
【００３１】
図２は、第１共振器１０２の構成を示す等価回路図である。第１共振器１０２は、キャパシタンス値Ｃ１を有するキャパシタ２０１、インダクタンス値Ｌ１を有するインダクタ２０２、および、レジスタンス値Ｒ１を有するレジスタ２０３を直列に接続したＲＬＣ回路と等価な回路を有する。これらのうち、キャパシタ２０１およびインダクタ２０２は、直列ＬＣ共振回路を構成する。
【００３２】
ＬＣ共振回路においては、キャパシタ２０１のキャパシタンス（等価直列容量）Ｃ１と、インダクタ２０２のインダクタンス（等価直列インダクタンス）Ｌ１とが共振周波数ｆ１で共振する。共振周波数ｆ１は、次式で表される。
ｆ１＝１／（２π×（√（Ｌ１×Ｃ１））） ・・・（１）
【００３３】
また、ＬＣ共振回路のＱ値Ｑ１は、
Ｑ１＝（√（Ｌ１／Ｃ１））／Ｒ１
＝２π×ｆ１×Ｌ１／Ｒ１
＝１／（２π×ｆ１×Ｃ１×Ｒ１） ・・・（２）
で表される。ＬＣ共振回路の共振特性を示すＱ値Ｑ１は、キャパシタンスＣ１、インダクタンスＬ１、および、レジスタンスＲ１の値に応じて変化するが、本実施の形態においては、数十程度でよい。つまり、本実施の形態においては、第１共振器１０２（ＬＣ共振器）の共振特性は、第２共振器１０３（ＭＥＭＳ共振器）の共振特性と較べて、尖鋭でなく、周波数精度が低くてよい。ＬＣ共振回路のゲインは、レジスタンス（等価直列抵抗）Ｒ１の値に応じて変化するが、本実施の形態においては、レジスタンスＲ１の値は数ミリΩでよい。そのため、ＬＣ共振回路のピークゲイン（共振周波数ｆ１におけるゲイン）は、ＭＥＭＳ共振器のそれとの比較において大きい。
【００３４】
図３は、第２共振器１０３が備えるＭＥＭＳ共振器の構成を示す斜視図（図３（ａ））および等価回路図（図３（ｂ））である。
【００３５】
図３（ａ）を参照すれば、ＭＥＭＳ共振器は、埋め込み酸化膜１３５（ＢＯＸ（Buried Oxide）膜）およびシリコン基板１３６等で形成されるＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板に形成された、入力電極１３１、振動子１３２、および、出力電極１３３を備える。振動子１３２は、支持部１３４においてＳＯＩ基板に繋留される両持ち梁型の振動子である。ただし、ＭＥＭＳ共振器の構成は図３（ａ）のような構成に限定されるものではない。
【００３６】
図３（ｂ）に示すように、第２共振器１０３のＭＥＭＳ共振器は、ＬＣ共振器（図２）と同様、キャパシタンス値Ｃ２を有するキャパシタ３０１、インダクタンス値Ｌ２を有するインダクタ３０２、および、レジスタンス値Ｒ２を有するレジスタ３０３を直列に接続したＲＬＣ回路と等価である。
【００３７】
よって、ＭＥＭＳ共振器においては、キャパシタ３０１のキャパシタンス（等価直列容量）Ｃ２と、インダクタ３０２のインダクタンス（等価直列インダクタンス）Ｌ２とが共振周波数ｆ２で共振する。共振周波数ｆ２は、次式で表される。
ｆ２＝１／（２π×（√（Ｌ２×Ｃ２））） ・・・（３）
【００３８】
また、ＭＥＭＳ共振器のＱ値Ｑ２は、
Ｑ２＝（√（Ｌ２／Ｃ２））／Ｒ２
＝２π×ｆ２×Ｌ２／Ｒ２
＝１／（２π×ｆ２×Ｃ２×Ｒ２） ・・・（４）
で表される。ここで、第２共振器１０３のＭＥＭＳ共振器の共振周波数ｆ２は、第１共振器１０２のＬＣ共振回路の共振周波数ｆ１と略一致することが好ましい。ただし、第２共振器１０３のＭＥＭＳ共振器の共振周波数ｆ２は、必ずしも第１共振器１０２のＬＣ共振回路の共振周波数ｆ１と略一致せずともよい。
【００３９】
ＭＥＭＳ共振器の共振特性を示すＱ値Ｑ２は、キャパシタンスＣ２、インダクタンスＬ２、および、レジスタンスＲ２の値に応じて変化するが、本実施の形態においては、数万から数十万と高く、その共振特性は、第１共振器１０２の共振特性との比較において尖鋭であり周波数精度が高い。ＭＥＭＳ共振器のゲインは、レジスタンス（等価直列抵抗）Ｒ２の値に応じて変化するが、本実施の形態においては、レジスタンスＲ２の値は数キロΩから数十キロΩでよい。つまり、ＭＥＭＳ共振器の共振周波数ｆ２におけるゲイン（ピークゲイン）は、ＬＣ共振回路のゲインと比較して小さくてよい。
【００４０】
図４は、第１共振器１０２のＬＣ共振回路の共振特性４０１および第２共振器１０３のＭＥＭＳ共振器の共振特性４０２を示す図である。ＬＣ共振回路およびＭＥＭＳ共振回路は、それぞれ、共振周波数ｆ１および共振周波数ｆ２においてピークゲインｇＬＣおよびピークゲインｇｍを示す。図４では、共振周波数ｆ１と共振周波数ｆ２は同一であるとしている。しかしながら、ＬＣ共振回路の共振特性４０１とＭＥＭＳ共振器の共振特性４０２は、ピークゲインｇＬＣおよびｇｍの大きさ、および、上述のＱ値Ｑ１およびＱ２で表されるピークの尖鋭さに顕著な違いがある。
【００４１】
本実施の形態においては、ＬＣ共振回路の共振特性４０１とＭＥＭＳ共振器の共振特性４０２との関係は特に限定されず、任意である。ただし、閉ループ回路１０６に関し、第２共振器１０３のＭＥＭＳ共振器の共振周波数ｆ２において、閉ループ回路１０６のループゲインはゼロｄＢよりも大きい。
【００４２】
次に、図５を参照し、振幅モニタ１０５（スイッチ制御部）の構成について説明する。図５（ａ）は、振幅モニタ１０５（スイッチ制御部）の構成を示すブロック図である。また、図５（ｂ）には、振幅モニタの変形例１０５ａの構成を示す。
【００４３】
図５（ａ）に示される振幅モニタ１０５は、ドライバアンプ１０１が出力する発振信号を入力して包絡線信号７０３（ＤＣ信号）を出力するピークホールド回路７０１と、包絡線信号７０３および所定の基準電圧７０４を入力し、包絡線信号７０３の大きさと基準電圧７０４の大きさとを比較するコンパレータ７０２を有する。コンパレータ７０２は、包絡線信号７０３の大きさが基準電圧７０４の大きさ以上である場合にハイ（Ｈｉｇｈ）の制御信号をスイッチ回路１０４へ出力し、包絡線信号７０３の大きさが基準電圧７０４の大きさよりも小さい場合にロー（Ｌｏｗ）の制御信号をスイッチ回路１０４へ出力する。
【００４４】
スイッチ回路１０４は、ＭＯＳ型トランジスタを含む。コンパレータ７０２から出力された制御信号は、スイッチ回路１０４を構成するＭＯＳ型トランジスタのゲートに入力される。これにより、スイッチ回路１０４は、制御信号がハイである場合には開放状態となり、制御信号がローの場合には接続状態となる。このようにして、振幅モニタ１０５は、ドライバアンプ１０１から出力される発振信号の大きさにもとづいて、ドライバアンプ１０１と第１共振器１０２とを接続および切断する。
【００４５】
次に、図５（ｂ）に示される振幅モニタ１０５の変形例１０５ａについて説明する。振幅モニタ１０５ａは、ピークホールド回路７０１が出力する包絡線信号７０３を入力する演算回路７０２ａを有する。演算回路７０２ａは、包絡線信号７０３の大きさが所定の閾値以上であるか否かを判断する。演算回路７０２ａが包絡線信号７０３の大きさが閾値以上であると判断した場合には、当該判断の時点からカウントを開始し、カウント数が所定値を越えた場合に、スイッチ回路１０４へ出力する制御信号をローからハイに切り換え、帰還部の構成を閉ループ回路１０６から閉ループ回路１０７に切り換える。
【００４６】
または、演算回路７０２ａは、包絡線信号７０３の時間変化の大きさに基づいて制御信号をローからハイに切り換えてもよい。演算回路７０２ａは、ドライバアンプ１０１０が出力する発振信号の時間変化が所定値未満になると、ドライバアンプ１０１と第１共振器１０２との接続を切断する。つまり、演算回路７０２ａは、ドライバアンプ１０１０が出力する発振信号の成長が緩やかになると、ドライバアンプ１０１と第１共振器１０２との接続を切断する。このように、振幅モニタ１０５ａは、ドライバアンプ１０１が出力する発振信号の振幅の成長の度合いに基づいてスイッチ回路１０４を制御するように構成されてもよい。
【００４７】
または、演算回路７０２ａは、起動時からカウントを開始し、起動からの時間にもとづいてスイッチ回路１０４を制御してもよい。例えば、演算回路７０２ａは、ドライバアンプ１０１が発振信号の出力を開始すると計時を開始し、起動から所定の時間が経過したときに制御信号をローからハイに切り換えてもよい。
【００４８】
なお上述したスイッチ回路１０４および振幅モニタ１０５の構成は一例であり、これに限定されない。上述のように、スイッチ回路１０４の位置は第１共振器１０２の出力側でもよい。
【００４９】
３．動作
次に、ＭＥＭＳ発振器１００の動作について説明する。以下では、特に、ＭＥＭＳ発振器１００の起動から発振信号が安定するまでの起動期間における動作について説明する。
【００５０】
ＭＥＭＳ発振器１００の起動時においては、スイッチ回路１０４は、接続状態に制御され、第１共振器１０２がドライバアンプ１０１に接続される。このとき、振幅モニタ１０５（スイッチ制御部）は、起動時、例えばローの制御信号をスイッチ回路１０４へ出力する。よって、第１閉ループ回路１０６を通じてドライバアンプ１０１へ帰還信号が入力される。なお、スイッチ回路１０４は、起動時において接続状態でなくともよい。スイッチ回路１０４は、ＭＥＭＳ発振器１００の起動期間の少なくとも一部において接続状態であればよい。なお、起動期間とは、上述のように、起動時から発振状態（所望の周波数例えばｆ２、で安定的に発振する状態）に至る時点までの期間である。
【００５１】
ＬＣ共振回路を備える第１発振部１０２のインピーダンスは、ＭＥＭＳ共振器を備える第２発振部１０３のインピーダンスよりも小さい。また、ＬＣ共振回路を備える第１発振部１０２のゲインは、ＭＥＭＳ共振器を備える第２発振部１０３のゲインよりも大きい。そのため、ＭＥＭＳ共振器の共振周波数ｆ２において、閉ループ回路１０６のループゲインは、閉ループ回路１０７のループゲインよりも大きい。よって、スイッチ回路１０４が接続状態にあるＭＥＭＳ発振器１００の起動初期においては、ドライバアンプ１０１および第１共振器１０２で構成される閉ループ回路１０６により、共振周波数ｆ１を中心に共振周波数ｆ２を含む比較的広い周波数帯域で信号がドライバアンプ１０１へフィードバックされ、共振周波数ｆ２の成分を含む発振信号は、閉ループ回路１０７と比較して、高速に成長する。
【００５２】
振幅モニタ１０５は、ドライバアンプ１０１が出力する発振信号をモニタリングし、発振信号の電圧振幅が所定の基準電圧以上であると判断すると、スイッチ回路１０４へ出力する制御信号をローからハイに切り換え、スイッチ回路１０４を接続状態から開放状態に変化させる。
【００５３】
つまり、振幅モニタ１０５から入力される制御信号がハイになると、スイッチ回路１０４は開放状態になり、それ以降は、第２共振器１０３を備えた閉ループ回路１０７のみを通じて発振信号の一部がドライバアンプ１０１へ帰還される。
【００５４】
スイッチ回路１０４が開放状態になると、発振信号は、閉ループ回路１０７のみで成長し、共振周波数ｆ２を中心に尖鋭さを増し、やがて発振安定状態に達する。
【００５５】
図６（ａ）は、ＭＥＭＳ発振器１００における発振信号の成長の様子を示した図である。図６（ｂ）は、図７に示した従来のＭＥＭＳ共振器のみで構成されたＭＥＭＳ発振器における発振信号の成長の様子を示した図である。図６（ａ）および図６（ｂ）においては、横軸は、起動時からの時間を示し、時間スケールは同一であり、縦軸は、発振信号の電圧振幅を示し、電圧スケールは同一である。本実施の形態によるＭＥＭＳ発振器１００では、図６（ａ）に示すようにナノ秒のオーダで起動から発振安定状態に達することができる。これに対し、従来のＭＥＭＳ発振器では、図６（ｂ）に示すように起動から発振安定状態に達するまでミリ秒のオーダの期間を要している。本図から、本実施の形態によるＭＥＭＳ発振器１００においては、従来のＭＥＭＳ発振器との比較において、起動からより短時間のうちに発振安定状態に達することがわかる。つまり、ＭＥＭＳ発振器１００においては、起動期間は著しく短縮されている。
【００５６】
４．まとめ
このように、本実施の形態によるＭＥＭＳ発振器１００は、起動初期においては、ＭＥＭＳ共振器よりも高ゲインを有するＬＣ共振回路（第１共振器１０２）を用いて高速に発振信号を所定の条件を満たすまで、例えば所定の基準電圧まで、成長させ、その後、ＭＥＭＳ共振器（第２共振器１０３）を用いて周波数精度に優れた発振信号を生成する。そのため、従来例のように消費電流を増大させることなく起動期間を短縮しつつ、発振安定時には、周波数精度に優れた発振信号を出力することが可能になっている。
【００５７】
なお、スイッチ回路１０４においては入力された発振信号に位相遅れが生じてもよい。その場合、第２共振器１０３は、入力された発振信号の位相を遅延させる遅延素子を備えてもよい。当該遅延素子は、第２共振器１０３に含まれる寄生容量の大きさを適切に調整することで実現することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は、低い消費電力で起動時から短期間に発振安定状態に達することができかつ周波数精度に優れた発振器であり、例えば、電子機器において利用されるクロック生成手段として有用である。
【符号の説明】
【００５９】
１００ ・・・ ＭＥＭＳ発振器
１０１ ・・・ ドライバアンプ
１０２ ・・・ 第１共振器
１０３ ・・・ 第２共振器
１０４ ・・・ スイッチ回路
１０５ ・・・ 振幅モニタ（スイッチ制御部）
１０５ａ・・・ 振幅モニタ（変形例）
１０６ ・・・ 閉ループ回路
１０７ ・・・ 閉ループ回路
１３１ ・・・ 入力電極
１３２ ・・・ 振動子
１３３ ・・・ 出力電極
１３４ ・・・ 支持部
１３５ ・・・ 埋め込み酸化膜
１３６ ・・・ シリコン基板
２０１ ・・・ 等価直列キャパシタ
２０２ ・・・ 等価直列インダクタ
２０３ ・・・ 等価直列抵抗
３０１ ・・・ 等価直列キャパシタ
３０２ ・・・ 等価直列インダクタ
３０３ ・・・ 等価直列抵抗
７０１ ・・・ ピークホールド回路
７０２ ・・・ コンパレータ
７０２ａ・・・ 演算回路
７０３ ・・・ 包絡線信号
７０４ ・・・ 基準電圧
１００１ ・・・ ドライバアンプ
１００２ ・・・ ＭＥＭＳ共振器
１２０１ ・・・ ドライバアンプ
１２０１ｂ・・・ ブースターアンプ
１２０２ ・・・ 水晶共振器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発振器に関し、特に、微小電気機械共振器（ＭＥＭＳ共振器）を用いた発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
発振器は、電子機器の動作の基準を示すクロック信号を生成するデバイスとして、電子機器にとって必要不可欠のデバイスである。そのような発振器の代表例として、水晶振動子を用いた水晶発振器を挙げることができる。
【０００３】
水晶発振器は発振精度に優れた発振器であるが、小型化が困難であり、かつ集積化に不向きである。加えて、水晶発振器の製造プロセスにおいては天然水晶から高純度の人工水晶を精製する必要がある。人工水晶の精製では、オートクレーブと呼ばれる耐圧性のある鋼鉄製の炉の中で天然水晶を溶解し、高温・高圧下で時間をかけて結晶を成長させる。このため、水晶発振器にあっては、その納期を短縮することは非常に困難である。
【０００４】
水晶発振器にかかる上述の課題を解決できる発振器として、水晶振動子の代わりに微小電気機械共振器（ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）共振器）を用いた発振器が知られる。ＭＥＭＳ共振器は、例えば、シリコンに振動部や電極等の微細構造を形成して構成される共振器であり、水晶振動子と較べて半導体プロセスとの親和性が高く小型化が容易である。なお、以下では、ＭＥＭＳ共振器を用いた発振器を「微小電気機械発振器」（「ＭＥＭＳ発振器」）と称する。
【０００５】
図７は、従来のＭＥＭＳ発振器の構成を示すブロック図である。
【０００６】
従来のＭＥＭＳ発振器は、増幅回路であるドライバアンプ１００１と、共振回路であるＭＥＭＳ共振器１００２とを有し、ドライバアンプ１００１の出力の一部がＭＥＭＳ共振器１００２を介して帰還されることにより増幅される帰還型発振回路である。
【０００７】
図８に、ＭＥＭＳ共振器１００２の共振特性１００３および典型的な水晶振動子（水晶共振器）の共振特性１１０３を示す。ＭＥＭＳ共振器１００２のゲインｇｍは、当然のことながらそのインピーダンスや浮遊容量の大きさ等により変化するものの、共振周波数ｆｒにおいて概ね−２０〜−４０ｄＢ程度である。これに対し、水晶振動子のゲインｇｑｔｚは、共振周波数ｆｒにおいて０ｄＢ以上に達する。よって、従来のＭＥＭＳ発振器のループゲインは、一般的に、水晶発振器のループゲインよりも小さい。そのため、従来のＭＥＭＳ発振器の起動期間は、一般に、水晶発振器の起動期間よりも長くなる傾向を有する。
【０００８】
電子機器のためのクロック生成手段として発振器を使用する場合、低消費電力化のため、クロック信号を必要とするときだけ発振器を動作させる（間欠的に動作させる）ことが一般的に行われる。よって、低消費電力化の観点からは、発振器の起動期間（起動から発振状態（所望の周波数で安定的に発振する状態）に至るまでの期間）は短いことが望ましい。
【０００９】
水晶発振器の起動期間の短縮化に寄与する技術文献として以下の特許文献が存在する。
【００１０】
特許文献１および特許文献２は、水晶発振器の起動期間を短縮化するための技術を開示する。図９は、特許文献１および特許文献２に記載の技術を用いた水晶発振器の構成を示すブロック図である。当該水晶発振器は、ドライバアンプ１２０１および水晶発振子を備えた水晶共振器１２０２に加え、起動期間短縮のために、専用のブースターアンプ１２０１ｂを備える。
【００１１】
図９を参照すれば、水晶共振器１２０２の出力端子はブースターアンプ１２０１ｂの入力端子に接続され、ブースターアンプ１２０１ｂの出力端子がドライバアンプ１２０１の入力端子に接続される。ブースターアンプ１２０１ｂは、水晶発振器の起動時にその帰還回路のループゲインを拡大させる作用を有する。これにより、水晶発振器の起動が高速化される。
【００１２】
特許文献３もまた、水晶発振器の起動期間を短縮化するための技術を開示する。同文献に記載の水晶発振器では、共振回路内に水晶振動子と並列にインダクタを設け、該インダクタと、同インダクタと直列に接続されたキャパシタとの共振作用を用いて起動時の発振出力の立ち上がりが高速化される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００８−１３６０３２号公報
【特許文献２】特開２００９−２３９９７１号公報
【特許文献３】特開昭６１−１２０５０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、特許文献１および特許文献２に記載の構成（図９参照。）では、ブースターアンプ１２０１ｂが動作する間、消費電流が増大するという課題を有していた。
【００１５】
また、特許文献３に記載の技術方策は、共振回路が、水晶発振子といったゲインが比較的大きい振動子を備える場合に有効な技術方策であり、共振回路のゲインがＭＥＭＳ共振器のように水晶発振子と比較して小さい場合には有効に機能しない。
【００１６】
本発明は、上記課題を鑑みてなされるものであり、起動時に消費電流を増大させることなしに高速起動可能なＭＥＭＳ発振器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の一態様は、ドライバアンプと、ＬＣ共振回路を備える第１共振器と、ＭＥＭＳ共振器を備える第２共振器と、接続および開放を切り換え可能なスイッチ回路と、スイッチ回路を制御するスイッチ制御部と、を有するＭＥＭＳ発振器であって、ドライバアンプ、第１共振器、および、スイッチ回路は、ドライバアンプの出力信号の少なくとも一部をドライバアンプへ帰還させる第１閉ループ回路を形成し、ドライバアンプ、および、第２共振器は、第１閉ループ回路とは別の、ドライバアンプの出力信号の少なくとも一部をドライバアンプへ帰還させる第２閉ループ回路を形成し、スイッチ制御部は、ＭＥＭＳ発振器の起動期間の少なくとも一部においてスイッチ回路を接続し、所定の条件が満たされる場合に、スイッチ回路を開放する、ＭＥＭＳ発振器である。
【００１８】
本発明の一態様においては、所定の条件は、ドライバアンプへの帰還信号およびドライバアンプからの出力信号の少なくともいずれかの大きさが所定値以上であること、であってよい。
【００１９】
本発明の一態様においては、所定の条件は、ＭＥＭＳ共振器が起動された時点から所定の時間が経過したこと、であってよい。
【００２０】
本発明の一態様においては、所定の条件は、ドライバアンプへの帰還信号およびドライバアンプからの出力信号の少なくともいずれかの大きさの時間変化が所定値未満であること、であってよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明にかかるＭＥＭＳ発振器においては、ＭＥＭＳ共振器の共振周波数におけるゲインよりも大きいゲインを有する別の共振回路を用いて起動時における発振信号の成長を促進させる。これにより、本発明にかかるＭＥＭＳ発振器は、消費電流を増大させずに高速に起動する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施の形態１によるＭＥＭＳ発振器の構成を示すブロック図
【図２】第１共振器の等価回路図
【図３】（ａ）第２共振器の斜視図、および、（ｂ）第２共振器の等価回路図
【図４】第１共振器および第２共振器の共振特性を示す図
【図５】（ａ）振幅モニタの構成を示すブロック図、および、（ｂ）振幅モニタ変形例の構成を示すブロック図
【図６】実施の形態１によるＭＥＭＳ発振器および従来のＭＥＭＳ発振器の発振信号の時間発展を示す図
【図７】従来のＭＥＭＳ発振器の構成を示すブロック図
【図８】水晶発振子およびＭＥＭＳ共振器の共振特性を示す図
【図９】従来の水晶発振器の構成を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００２４】
（実施の形態１）
１．概要
実施の形態１によるＭＥＭＳ発振器は、入力信号を増幅して出力する増幅部と増幅部へその出力の一部を帰還させる帰還部とを備えた帰還型発振器である。本ＭＥＭＳ発振器の帰還部は、ＭＥＭＳ共振器を備える第１閉ループ回路と、ＭＥＭＳ共振器の共振周波数においてＭＥＭＳ共振器のゲインよりも大きなゲインを有する直列ＬＣ共振回路を備える第２閉ループ回路とを備える。本ＭＥＭＳ発振器は、起動から所定の期間にわたり、直列ＬＣ共振回路（第１閉ループ回路）を介して増幅部の出力の一部を増幅部へ帰還させ、発振信号の振幅成長の促進を図る。そうすることにより、本ＭＥＭＳ発振器は高速起動可能であり、かつ従来技術のブースターアンプを用いる例のように起動時に消費電流が増大されない。
【００２５】
２．構成
図１は、実施の形態１によるＭＥＭＳ発振器１００の構成を示すブロック図である。
【００２６】
ＭＥＭＳ発振器１００は、ドライバアンプ１０１と、（直列）ＬＣ共振回路を備える第１共振器１０２と、ＭＥＭＳ共振器を備える第２共振器１０３と、ドライバアンプ１０１と第１共振器１０２とを接続および切断するスイッチ回路１０４と、所定の条件に基づいて、例えばドライバアンプ１０１が出力する発振信号の振幅の大きさに基づいて、スイッチ回路１０４を制御する振幅モニタ（スイッチ制御部）１０５と、を有する。
【００２７】
ドライバアンプ１０１の出力端子は、スイッチ回路１０４を介してＬＣ共振回路を備える第１共振器１０２の入力端子と接続される。そして、第１共振器１０２の出力端子は、ドライバアンプ１０１の入力端子と接続される。これにより、ドライバアンプ１０１、第１共振器１０２、および、スイッチ回路１０４は、閉ループ回路１０６を構成する。スイッチ回路１０４は、例えば、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）型トランジスタで構成されてよく、また、これに限定されない。なお、スイッチ回路１０４は、第１共振器１０２の出力端子と接続されてもよい。
【００２８】
また、ドライバアンプ１０１の出力端子は、ＭＥＭＳ共振器を備える第２共振器１０３の入力端子と接続される。そして、第２共振器１０３の出力端子は、ドライバアンプ１０１の入力端子と接続される。これにより、ドライバアンプ１０１、および、第２共振器１０３は、閉ループ回路１０７を構成する。
【００２９】
ドライバアンプ１０１の出力端子は、振幅モニタ１０５（スイッチ制御部）の入力端子とも接続され、振幅モニタ１０５は、ドライバアンプ１０１が出力する発振信号の大きさをモニタする。振幅モニタ１０５は、該発振信号の大きさにもとづいてスイッチ回路１０４を制御する。スイッチ回路１０４の構成および動作については、後でさらに詳しく説明する。
【００３０】
なお、振幅モニタ１０５は、第１共振器１０２の出力端子とドライバアンプ１０１の入力端子とを繋ぐラインに接続されてもよい。この場合、振幅モニタ１０５は、第１共振器１０２からドライバアンプ１０１へ帰還される帰還信号の大きさをモニタすることができ、該帰還信号の大きさにもとづいてスイッチ回路１０４を制御すればよい。
【００３１】
図２は、第１共振器１０２の構成を示す等価回路図である。第１共振器１０２は、キャパシタンス値Ｃ１を有するキャパシタ２０１、インダクタンス値Ｌ１を有するインダクタ２０２、および、レジスタンス値Ｒ１を有するレジスタ２０３を直列に接続したＲＬＣ回路と等価な回路を有する。これらのうち、キャパシタ２０１およびインダクタ２０２は、直列ＬＣ共振回路を構成する。
【００３２】
ＬＣ共振回路においては、キャパシタ２０１のキャパシタンス（等価直列容量）Ｃ１と、インダクタ２０２のインダクタンス（等価直列インダクタンス）Ｌ１とが共振周波数ｆ１で共振する。共振周波数ｆ１は、次式で表される。
ｆ１＝１／（２π×（√（Ｌ１×Ｃ１））） ・・・（１）
【００３３】
また、ＬＣ共振回路のＱ値Ｑ１は、
Ｑ１＝（√（Ｌ１／Ｃ１））／Ｒ１
＝２π×ｆ１×Ｌ１／Ｒ１
＝１／（２π×ｆ１×Ｃ１×Ｒ１） ・・・（２）
で表される。ＬＣ共振回路の共振特性を示すＱ値Ｑ１は、キャパシタンスＣ１、インダクタンスＬ１、および、レジスタンスＲ１の値に応じて変化するが、本実施の形態においては、数十程度でよい。つまり、本実施の形態においては、第１共振器１０２（ＬＣ共振器）の共振特性は、第２共振器１０３（ＭＥＭＳ共振器）の共振特性と較べて、尖鋭でなく、周波数精度が低くてよい。ＬＣ共振回路のゲインは、レジスタンス（等価直列抵抗）Ｒ１の値に応じて変化するが、本実施の形態においては、レジスタンスＲ１の値は数ミリΩでよい。そのため、ＬＣ共振回路のピークゲイン（共振周波数ｆ１におけるゲイン）は、ＭＥＭＳ共振器のそれとの比較において大きい。
【００３４】
図３は、第２共振器１０３が備えるＭＥＭＳ共振器の構成を示す斜視図（図３（ａ））および等価回路図（図３（ｂ））である。
【００３５】
図３（ａ）を参照すれば、ＭＥＭＳ共振器は、埋め込み酸化膜１３５（ＢＯＸ（Buried Oxide）膜）およびシリコン基板１３６等で形成されるＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板に形成された、入力電極１３１、振動子１３２、および、出力電極１３３を備える。振動子１３２は、支持部１３４においてＳＯＩ基板に繋留される両持ち梁型の振動子である。ただし、ＭＥＭＳ共振器の構成は図３（ａ）のような構成に限定されるものではない。
【００３６】
図３（ｂ）に示すように、第２共振器１０３のＭＥＭＳ共振器は、ＬＣ共振器（図２）と同様、キャパシタンス値Ｃ２を有するキャパシタ３０１、インダクタンス値Ｌ２を有するインダクタ３０２、および、レジスタンス値Ｒ２を有するレジスタ３０３を直列に接続したＲＬＣ回路と等価である。
【００３７】
よって、ＭＥＭＳ共振器においては、キャパシタ３０１のキャパシタンス（等価直列容量）Ｃ２と、インダクタ３０２のインダクタンス（等価直列インダクタンス）Ｌ２とが共振周波数ｆ２で共振する。共振周波数ｆ２は、次式で表される。
ｆ２＝１／（２π×（√（Ｌ２×Ｃ２））） ・・・（３）
【００３８】
また、ＭＥＭＳ共振器のＱ値Ｑ２は、
Ｑ２＝（√（Ｌ２／Ｃ２））／Ｒ２
＝２π×ｆ２×Ｌ２／Ｒ２
＝１／（２π×ｆ２×Ｃ２×Ｒ２） ・・・（４）
で表される。ここで、第２共振器１０３のＭＥＭＳ共振器の共振周波数ｆ２は、第１共振器１０２のＬＣ共振回路の共振周波数ｆ１と略一致することが好ましい。ただし、第２共振器１０３のＭＥＭＳ共振器の共振周波数ｆ２は、必ずしも第１共振器１０２のＬＣ共振回路の共振周波数ｆ１と略一致せずともよい。
【００３９】
ＭＥＭＳ共振器の共振特性を示すＱ値Ｑ２は、キャパシタンスＣ２、インダクタンスＬ２、および、レジスタンスＲ２の値に応じて変化するが、本実施の形態においては、数万から数十万と高く、その共振特性は、第１共振器１０２の共振特性との比較において尖鋭であり周波数精度が高い。ＭＥＭＳ共振器のゲインは、レジスタンス（等価直列抵抗）Ｒ２の値に応じて変化するが、本実施の形態においては、レジスタンスＲ２の値は数キロΩから数十キロΩでよい。つまり、ＭＥＭＳ共振器の共振周波数ｆ２におけるゲイン（ピークゲイン）は、ＬＣ共振回路のゲインと比較して小さくてよい。
【００４０】
図４は、第１共振器１０２のＬＣ共振回路の共振特性４０１および第２共振器１０３のＭＥＭＳ共振器の共振特性４０２を示す図である。ＬＣ共振回路およびＭＥＭＳ共振回路は、それぞれ、共振周波数ｆ１および共振周波数ｆ２においてピークゲインｇＬＣおよびピークゲインｇｍを示す。図４では、共振周波数ｆ１と共振周波数ｆ２は同一であるとしている。しかしながら、ＬＣ共振回路の共振特性４０１とＭＥＭＳ共振器の共振特性４０２は、ピークゲインｇＬＣおよびｇｍの大きさ、および、上述のＱ値Ｑ１およびＱ２で表されるピークの尖鋭さに顕著な違いがある。
【００４１】
本実施の形態においては、ＬＣ共振回路の共振特性４０１とＭＥＭＳ共振器の共振特性４０２との関係は特に限定されず、任意である。ただし、閉ループ回路１０６に関し、第２共振器１０３のＭＥＭＳ共振器の共振周波数ｆ２において、閉ループ回路１０６のループゲインはゼロｄＢよりも大きい。
【００４２】
次に、図５を参照し、振幅モニタ１０５（スイッチ制御部）の構成について説明する。図５（ａ）は、振幅モニタ１０５（スイッチ制御部）の構成を示すブロック図である。また、図５（ｂ）には、振幅モニタの変形例１０５ａの構成を示す。
【００４３】
図５（ａ）に示される振幅モニタ１０５は、ドライバアンプ１０１が出力する発振信号を入力して包絡線信号７０３（ＤＣ信号）を出力するピークホールド回路７０１と、包絡線信号７０３および所定の基準電圧７０４を入力し、包絡線信号７０３の大きさと基準電圧７０４の大きさとを比較するコンパレータ７０２を有する。コンパレータ７０２は、包絡線信号７０３の大きさが基準電圧７０４の大きさ以上である場合にハイ（Ｈｉｇｈ）の制御信号をスイッチ回路１０４へ出力し、包絡線信号７０３の大きさが基準電圧７０４の大きさよりも小さい場合にロー（Ｌｏｗ）の制御信号をスイッチ回路１０４へ出力する。
【００４４】
スイッチ回路１０４は、ＭＯＳ型トランジスタを含む。コンパレータ７０２から出力された制御信号は、スイッチ回路１０４を構成するＭＯＳ型トランジスタのゲートに入力される。これにより、スイッチ回路１０４は、制御信号がハイである場合には開放状態となり、制御信号がローの場合には接続状態となる。このようにして、振幅モニタ１０５は、ドライバアンプ１０１から出力される発振信号の大きさにもとづいて、ドライバアンプ１０１と第１共振器１０２とを接続および切断する。
【００４５】
次に、図５（ｂ）に示される振幅モニタ１０５の変形例１０５ａについて説明する。振幅モニタ１０５ａは、ピークホールド回路７０１が出力する包絡線信号７０３を入力する演算回路７０２ａを有する。演算回路７０２ａは、包絡線信号７０３の大きさが所定の閾値以上であるか否かを判断する。演算回路７０２ａが包絡線信号７０３の大きさが閾値以上であると判断した場合には、当該判断の時点からカウントを開始し、カウント数が所定値を越えた場合に、スイッチ回路１０４へ出力する制御信号をローからハイに切り換え、帰還部の構成を閉ループ回路１０６から閉ループ回路１０７に切り換える。
【００４６】
または、演算回路７０２ａは、包絡線信号７０３の時間変化の大きさに基づいて制御信号をローからハイに切り換えてもよい。演算回路７０２ａは、ドライバアンプ１０１０が出力する発振信号の時間変化が所定値未満になると、ドライバアンプ１０１と第１共振器１０２との接続を切断する。つまり、演算回路７０２ａは、ドライバアンプ１０１０が出力する発振信号の成長が緩やかになると、ドライバアンプ１０１と第１共振器１０２との接続を切断する。このように、振幅モニタ１０５ａは、ドライバアンプ１０１が出力する発振信号の振幅の成長の度合いに基づいてスイッチ回路１０４を制御するように構成されてもよい。
【００４７】
または、演算回路７０２ａは、起動時からカウントを開始し、起動からの時間にもとづいてスイッチ回路１０４を制御してもよい。例えば、演算回路７０２ａは、ドライバアンプ１０１が発振信号の出力を開始すると計時を開始し、起動から所定の時間が経過したときに制御信号をローからハイに切り換えてもよい。
【００４８】
なお上述したスイッチ回路１０４および振幅モニタ１０５の構成は一例であり、これに限定されない。上述のように、スイッチ回路１０４の位置は第１共振器１０２の出力側でもよい。
【００４９】
３．動作
次に、ＭＥＭＳ発振器１００の動作について説明する。以下では、特に、ＭＥＭＳ発振器１００の起動から発振信号が安定するまでの起動期間における動作について説明する。
【００５０】
ＭＥＭＳ発振器１００の起動時においては、スイッチ回路１０４は、接続状態に制御され、第１共振器１０２がドライバアンプ１０１に接続される。このとき、振幅モニタ１０５（スイッチ制御部）は、起動時、例えばローの制御信号をスイッチ回路１０４へ出力する。よって、第１閉ループ回路１０６を通じてドライバアンプ１０１へ帰還信号が入力される。なお、スイッチ回路１０４は、起動時において接続状態でなくともよい。スイッチ回路１０４は、ＭＥＭＳ発振器１００の起動期間の少なくとも一部において接続状態であればよい。なお、起動期間とは、上述のように、起動時から発振状態（所望の周波数例えばｆ２、で安定的に発振する状態）に至る時点までの期間である。
【００５１】
ＬＣ共振回路を備える第１発振部１０２のインピーダンスは、ＭＥＭＳ共振器を備える第２発振部１０３のインピーダンスよりも小さい。また、ＬＣ共振回路を備える第１発振部１０２のゲインは、ＭＥＭＳ共振器を備える第２発振部１０３のゲインよりも大きい。そのため、ＭＥＭＳ共振器の共振周波数ｆ２において、閉ループ回路１０６のループゲインは、閉ループ回路１０７のループゲインよりも大きい。よって、スイッチ回路１０４が接続状態にあるＭＥＭＳ発振器１００の起動初期においては、ドライバアンプ１０１および第１共振器１０２で構成される閉ループ回路１０６により、共振周波数ｆ１を中心に共振周波数ｆ２を含む比較的広い周波数帯域で信号がドライバアンプ１０１へフィードバックされ、共振周波数ｆ２の成分を含む発振信号は、閉ループ回路１０７と比較して、高速に成長する。
【００５２】
振幅モニタ１０５は、ドライバアンプ１０１が出力する発振信号をモニタリングし、発振信号の電圧振幅が所定の基準電圧以上であると判断すると、スイッチ回路１０４へ出力する制御信号をローからハイに切り換え、スイッチ回路１０４を接続状態から開放状態に変化させる。
【００５３】
つまり、振幅モニタ１０５から入力される制御信号がハイになると、スイッチ回路１０４は開放状態になり、それ以降は、第２共振器１０３を備えた閉ループ回路１０７のみを通じて発振信号の一部がドライバアンプ１０１へ帰還される。
【００５４】
スイッチ回路１０４が開放状態になると、発振信号は、閉ループ回路１０７のみで成長し、共振周波数ｆ２を中心に尖鋭さを増し、やがて発振安定状態に達する。
【００５５】
図６（ａ）は、ＭＥＭＳ発振器１００における発振信号の成長の様子を示した図である。図６（ｂ）は、図７に示した従来のＭＥＭＳ共振器のみで構成されたＭＥＭＳ発振器における発振信号の成長の様子を示した図である。図６（ａ）および図６（ｂ）においては、横軸は、起動時からの時間を示し、時間スケールは同一であり、縦軸は、発振信号の電圧振幅を示し、電圧スケールは同一である。本実施の形態によるＭＥＭＳ発振器１００では、図６（ａ）に示すようにナノ秒のオーダで起動から発振安定状態に達することができる。これに対し、従来のＭＥＭＳ発振器では、図６（ｂ）に示すように起動から発振安定状態に達するまでミリ秒のオーダの期間を要している。本図から、本実施の形態によるＭＥＭＳ発振器１００においては、従来のＭＥＭＳ発振器との比較において、起動からより短時間のうちに発振安定状態に達することがわかる。つまり、ＭＥＭＳ発振器１００においては、起動期間は著しく短縮されている。
【００５６】
４．まとめ
このように、本実施の形態によるＭＥＭＳ発振器１００は、起動初期においては、ＭＥＭＳ共振器よりも高ゲインを有するＬＣ共振回路（第１共振器１０２）を用いて高速に発振信号を所定の条件を満たすまで、例えば所定の基準電圧まで、成長させ、その後、ＭＥＭＳ共振器（第２共振器１０３）を用いて周波数精度に優れた発振信号を生成する。そのため、従来例のように消費電流を増大させることなく起動期間を短縮しつつ、発振安定時には、周波数精度に優れた発振信号を出力することが可能になっている。
【００５７】
なお、スイッチ回路１０４においては入力された発振信号に位相遅れが生じてもよい。その場合、第２共振器１０３は、入力された発振信号の位相を遅延させる遅延素子を備えてもよい。当該遅延素子は、第２共振器１０３に含まれる寄生容量の大きさを適切に調整することで実現することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は、低い消費電力で起動時から短期間に発振安定状態に達することができかつ周波数精度に優れた発振器であり、例えば、電子機器において利用されるクロック生成手段として有用である。
【符号の説明】
【００５９】
１００ ・・・ ＭＥＭＳ発振器
１０１ ・・・ ドライバアンプ
１０２ ・・・ 第１共振器
１０３ ・・・ 第２共振器
１０４ ・・・ スイッチ回路
１０５ ・・・ 振幅モニタ（スイッチ制御部）
１０５ａ・・・ 振幅モニタ（変形例）
１０６ ・・・ 閉ループ回路
１０７ ・・・ 閉ループ回路
１３１ ・・・ 入力電極
１３２ ・・・ 振動子
１３３ ・・・ 出力電極
１３４ ・・・ 支持部
１３５ ・・・ 埋め込み酸化膜
１３６ ・・・ シリコン基板
２０１ ・・・ 等価直列キャパシタ
２０２ ・・・ 等価直列インダクタ
２０３ ・・・ 等価直列抵抗
３０１ ・・・ 等価直列キャパシタ
３０２ ・・・ 等価直列インダクタ
３０３ ・・・ 等価直列抵抗
７０１ ・・・ ピークホールド回路
７０２ ・・・ コンパレータ
７０２ａ・・・ 演算回路
７０３ ・・・ 包絡線信号
７０４ ・・・ 基準電圧
１００１ ・・・ ドライバアンプ
１００２ ・・・ ＭＥＭＳ共振器
１２０１ ・・・ ドライバアンプ
１２０１ｂ・・・ ブースターアンプ
１２０２ ・・・ 水晶共振器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドライバアンプと、
ＬＣ共振回路を備える第１共振器と、
ＭＥＭＳ共振器を備える第２共振器と、
接続および開放を切り換え可能なスイッチ回路と、
前記スイッチ回路を制御するスイッチ制御部と、を有するＭＥＭＳ発振器であって、
前記ドライバアンプ、前記第１共振器、および、前記スイッチ回路は、前記ドライバアンプの出力信号の少なくとも一部を前記ドライバアンプへ帰還させる第１閉ループ回路を形成し、
前記ドライバアンプ、および、前記第２共振器は、前記第１閉ループ回路とは別の、前記ドライバアンプの出力信号の少なくとも一部を前記ドライバアンプへ帰還させる第２閉ループ回路を形成し、
前記スイッチ制御部は、前記ＭＥＭＳ発振器の起動期間の少なくとも一部において前記スイッチ回路を接続し、所定の条件が満たされる場合に、前記スイッチ回路を開放する、ＭＥＭＳ発振器。
【請求項２】
前記所定の条件は、前記ドライバアンプへの帰還信号および前記ドライバアンプからの出力信号の少なくともいずれかの大きさが所定値以上であること、である請求項１に記載のＭＥＭＳ発振器。
【請求項３】
前記所定の条件は、前記ＭＥＭＳ共振器が起動された時点から所定の時間が経過したこと、である請求項１に記載のＭＥＭＳ発振器。
【請求項４】
前記所定の条件は、前記ドライバアンプへの帰還信号および前記ドライバアンプからの出力信号の少なくともいずれかの大きさの時間変化が所定値未満であること、である請求項１に記載のＭＥＭＳ発振器。
【請求項１】
ドライバアンプと、
ＬＣ共振回路を備える第１共振器と、
ＭＥＭＳ共振器を備える第２共振器と、
接続および開放を切り換え可能なスイッチ回路と、
前記スイッチ回路を制御するスイッチ制御部と、を有するＭＥＭＳ発振器であって、
前記ドライバアンプ、前記第１共振器、および、前記スイッチ回路は、前記ドライバアンプの出力信号の少なくとも一部を前記ドライバアンプへ帰還させる第１閉ループ回路を形成し、
前記ドライバアンプ、および、前記第２共振器は、前記第１閉ループ回路とは別の、前記ドライバアンプの出力信号の少なくとも一部を前記ドライバアンプへ帰還させる第２閉ループ回路を形成し、
前記スイッチ制御部は、前記ＭＥＭＳ発振器の起動期間の少なくとも一部において前記スイッチ回路を接続し、所定の条件が満たされる場合に、前記スイッチ回路を開放する、ＭＥＭＳ発振器。
【請求項２】
前記所定の条件は、前記ドライバアンプへの帰還信号および前記ドライバアンプからの出力信号の少なくともいずれかの大きさが所定値以上であること、である請求項１に記載のＭＥＭＳ発振器。
【請求項３】
前記所定の条件は、前記ＭＥＭＳ共振器が起動された時点から所定の時間が経過したこと、である請求項１に記載のＭＥＭＳ発振器。
【請求項４】
前記所定の条件は、前記ドライバアンプへの帰還信号および前記ドライバアンプからの出力信号の少なくともいずれかの大きさの時間変化が所定値未満であること、である請求項１に記載のＭＥＭＳ発振器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１７５６０２（Ｐ２０１２−１７５６０２Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３７９９８（Ｐ２０１１−３７９９８）
【出願日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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