発振器
【課題】回路規模を増大することなく、複数の発振周波数を自由に選択することができる発振器を提供する。
【解決手段】複数の発振回路の出力を１つの出力ノードＮ１に束ね、圧電素子Ｘ１，Ｘ２の一端を、それぞれ各圧電素子に対応する増幅器の入力端に接続すると共に、圧電素子Ｘ１，Ｘ２の他端を出力ノードＮ１に共通して接続する。そして、選択信号ＳＥＬによって、選択用トランジスタＳＭ１，ＳＭ２及びスイッチＳＷ１，Ｓｗ２を制御することで、圧電素子Ｘ１，Ｘ２の何れか一方を選択し駆動させることで、多入力１出力の発振器を実現する。また、複数の圧電素子のうち少なくとも一つは外部環境に影響を受けるよう実装する。
【解決手段】複数の発振回路の出力を１つの出力ノードＮ１に束ね、圧電素子Ｘ１，Ｘ２の一端を、それぞれ各圧電素子に対応する増幅器の入力端に接続すると共に、圧電素子Ｘ１，Ｘ２の他端を出力ノードＮ１に共通して接続する。そして、選択信号ＳＥＬによって、選択用トランジスタＳＭ１，ＳＭ２及びスイッチＳＷ１，Ｓｗ２を制御することで、圧電素子Ｘ１，Ｘ２の何れか一方を選択し駆動させることで、多入力１出力の発振器を実現する。また、複数の圧電素子のうち少なくとも一つは外部環境に影響を受けるよう実装する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子を使用した発振器に関し、特に複数の基本波発振を行う発振器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、発振器を複数システムに適応させるための解決法として、発振器の多チャンネル化がある。これは、システムの要求にあわせて発振周波数を切り替え、柔軟に対応するために必須な技術である。
複数の周波数で発振する発振器としては、オーバートーン発振を利用したデュアルモード水晶発振回路（ＮＤＫ）が知られている（例えば、特許文献１参照）。ここでは、水晶振動子の基本波振動に対する３次のオーバートーン振動を発振する第１の発振手段と、水晶振動子の基本波振動に対する５次のオーバートーンを発振する第２の発振手段と、第１、第２の発振手段のいずれか一方と水晶振動子との間に５次のオーバートーン振動の干渉を阻止する帯域制限手段と、を備えることで、安定な３次と５次のオーバートーン発振を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２７４６３３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、上記特許文献１に記載のデュアルモード水晶発振回路にあっては、１つの圧電素子でオーバートーンを取り出す方法を適用することで複数の発振周波数を得るようにしているため、周波数間隔を自由に選択できない。したがって、自由に周波数を選択するには、必要な分だけ発振器を持つ必要がある。
一般に、発振器は、図１１に示すように、インバータ回路と、インバータ回路に並列に接続された帰還抵抗と、インバータ回路の入出力と接地間に夫々接続された容量素子とを含む発振回路と、一端がインバータ回路の入力端に接続されると共に他端がインバータ回路の出力端に接続される圧電素子とを備え、１つの発振回路と１つの圧電素子とを電気的に接続するために２つの電極が必要な構成となっている。
【０００５】
したがって、複数（例えば、Ｎ個）の発振器を持つ場合、図１２に示すように、複数の発振回路と複数の圧電素子とが必要となる。この図１２に示す例では、各発振器の出力が結合容量Ｃｃ１〜ＣｃＮを介して１つに束ねられており、Ｎ個の発振回路のうち１つがオンすることで所望の発振出力を取り出すことができる。しかしながら、このようにＮ個の発振器を束ねた場合、回路面積は図１１に示す発振器のＮ倍になる。
【０００６】
また、図１３に示すような伸長コイルが挿入された発振器を複数持つ場合、図１４に示すように、出力の本数（ここではＮ本）分の伸長コイルと電極の数が増えるため、上述した図１２の例よりもさらに回路規模の増大を招く。
そこで、本発明は、回路規模を増大することなく、複数の発振周波数を自由に選択することができる発振器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係る発振器の一態様は、所定の周波数で励振される圧電素子と、増幅器を有し前記圧電素子に電流を流して当該圧電素子を励振駆動する発振回路と、をそれぞれ含む複数の圧電発振回路を備える発振器であって、前記複数の発振回路の出力が１つの出力ノードに束ねられ、前記複数の圧電素子の一端が、それぞれ各圧電素子に対応する前記増幅器の入力端に接続されると共に、前記複数の圧電素子の他端が前記出力ノードに共通して接続されており、前記複数の圧電素子のうち何れか１つを選択的に駆動する選択回路を備え、前記複数の圧電素子のうち少なくとも一つが、外部環境に影響を受けるよう実装されていることを特徴としている。
【０００８】
このように、複数の発振回路の出力を１つの出力ノードに束ね、ここに必要な周波数の圧電素子の他端を共通して接続する構成とし、選択回路で複数の圧電素子のうち何れか１つを選択して駆動することで、多入力１出力の発振器を実現することができる。これにより、回路規模の増大を抑制しつつ、１つの発振器で複数の発振が可能となる。さらに、複数の圧電素子のうち少なくとも一つを、外部環境に影響を受けるよう実装することで、外部環境の変化に応じて発振周波数が変化するセンサ発振器として適用することが可能となる。
【０００９】
また、上記において、前記外部環境に影響を受けるよう実装される圧電素子は、外部環境に曝されるよう実装されていることを特徴としている。
これにより、確実に外部環境の影響を受けるように構成することができる。
さらに、上記において、前記外部環境に影響を受けるよう実装される圧電素子は、物質が付着するよう構成されていることを特徴としている。
【００１０】
これにより、質量センサや応力センサなどの物理センサとして適用することができる。
また、上記において、前記外部環境に影響を受けるよう実装される圧電素子は、窓あけがなされていることを特徴としている。
これにより、複数の圧電素子のうち所望の圧電素子を、容易且つ適切に外部環境の影響を受ける構成とすることができる。
【００１１】
さらにまた、上記において、前記外部環境に影響を受けるよう実装される圧電素子に、反応膜が形成されていることを特徴としている。
これにより、ガスセンサに代表される化学センサとして適用することができる。
さらに、上記において、前記複数の圧電素子のうち少なくとも一つは外部環境を遮断するよう実装されることを特徴としている。
【００１２】
これにより、外部環境を遮断した圧電素子で、安定な発振を行う基準発振器を構成することができる。
また、上記において、前記選択回路は、電流源と各増幅器との間にそれぞれ介装されたスイッチング素子により構成されており、各スイッチング素子を制御して、前記電流源から前記複数の増幅器のうち何れか１つに電流供給を行うことで、前記複数の圧電素子のうち何れか１つを駆動することを特徴としている。
【００１３】
これにより、比較的簡易な回路構成で選択回路を実現することができる。
さらに、上記において、前記複数の圧電素子の他端が１つに束ねられた共通ノードと前記出力ノードとの間に、伸長用コイルが接続されていることを特徴としている。
これにより、発振器の周波数感度を向上させることができる。
また、上記において、前記圧電素子を除く回路部をワンチップＩＣで構成したことを特徴としている。
【００１４】
これにより、圧電素子を除く回路部を完全なるＩＣ化とすることができる。さらに、伸長用コイルを設ける場合にも、これをＩＣチップに内蔵することで、外付けする場合と比較して寄生の影響を受けないようにすることができ、特性を出し易くすることができる。
また、ＩＣ内部の発振回路とＩＣ外部の圧電素子とを電気的に接続するための電極が必要となるが、多入力１出力の回路構成とすることで、複数の圧電発振回路を含む場合でも電極の数が増大するのを抑制することができる。
【００１５】
さらに、上記において、前記各増幅器の入出力端と接地との間に夫々配置された容量素子を備え、前記複数の容量素子の少なくとも１つが可変容量素子であることを特徴としている。
これにより、容量素子の容量値を調整することが可能となり、周波数出力を容易に目的とする周波数に調整することができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明の発振器は、回路規模や部品点数を増大させることなく、複数の基本波発振を自由に選択することができるセンサ発振器とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１の実施形態に係る発振器を示す図である。
【図２】第１の実施形態の概念図である。
【図３】第１の実施形態における別の例（４入力１出力）を示す図である。
【図４】第２の実施形態に係る発振器を示す図である。
【図５】伸長コイルの機能を説明するための等価回路である。
【図６】第２の実施形態の概念図である。
【図７】第２の実施形態における別の例（４入力１出力）を示す図である。
【図８】第３の実施形態に係る発振器を示す図である。
【図９】第４の実施形態に係る発振器を示す図である。
【図１０】第５の実施形態に係る発振器を示す図である。
【図１１】従来の発振器（伸長コイル無）を示す図である。
【図１２】Ｎ個の発振器（伸長コイル無）を持つ例を示す図である。
【図１３】従来の発振器（伸長コイル有）を示す図である。
【図１４】Ｎ個の発振器（伸長コイル有）を持つ例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る発振器を示す図である。
本実施形態における発振器は、ＩＣ内部に配置された発振回路とＩＣ外部に配置された圧電素子との組からなる圧電発振回路１１，１２を備える。
図中ＮＭ１，ＮＭ２はインバータとして機能するトランジスタであり、トランジスタＮＭ１，ＮＭ２の各ゲートは、夫々圧電素子Ｘ１，Ｘ２の一端と電極ＥＬ１，ＥＬ２を介して電気的に接続されている。
【００１９】
また、トランジスタＮＭ１，ＮＭ２と電流源との間に介装されるＳＭ１，ＳＭ２は、選択信号ＳＥＬ１，ＳＥＬ２を受けることでオン／オフ制御されるトランジスタであり、トランジスタＳＭ１（又はＳＭ２）がオンの場合は、インバータとして機能するトランジスタＮＭ１（又はＮＭ２）へ発振器電流Ｉｄｃを流し込み、オフの場合はトランジスタＮＭ１（又はＮＭ２）へ流れ込む発振器電流Ｉｄｃを遮断する。
【００２０】
さらに、Ｒ１，Ｒ２は発振回路の動作点を決定する抵抗で、該抵抗に直列につながるＳＷ１，ＳＷ２はトランジスタＳＭ１，ＳＭ２と夫々連動してオン／オフするスイッチである。また、Ｃ１，Ｃ２は発振回路の入力側につく容量、Ｃｘは発振回路の出力側につく容量である。
圧電発振回路１１，１２の出力は、図示の通り出力ノードＮ１で１つに束ねられており、出力ノードＮ１と圧電素子Ｘ１，Ｘ２の他端を１つに束ねた共通ノードＮ２とが、電極ＥＬ３を介して電気的に接続された構成となっている。
【００２１】
そして、制御信号ＳＥＬがＨレベルであるときには、制御信号ＳＥＬ１＝Ｈレベル、制御信号ＳＥＬ＝Ｌレベルとなり、トランジスタＳＭ１及びスイッチＳＷ１がオン、トランジスタＳＭ２及びスイッチＳＷ２がオフとなる。その結果、電流源Ｉｄｃと圧電発振回路１１のＮＭ１，Ｃ１，Ｃｘ，Ｘ１を含む閉ループとで発振器を構成し、圧電発振回路１１の出力が最終的な出力ＯＵＴとなる。
【００２２】
一方、制御信号ＳＥＬがＬレベルであるときには、制御信号ＳＥＬ１＝Ｌレベル、制御信号ＳＥＬ＝Ｈレベルとなり、トランジスタＳＭ２及びスイッチＳＷ２がオン、トランジスタＳＭ１及びスイッチＳＷ１がオフとなる。その結果、電流源Ｉｄｃと圧電発振回路１２のＮＭ２，Ｃ２，Ｃｘ，Ｘ２を含む閉ループとで発振器を構成し、圧電発振回路１２の出力が最終的な出力ＯＵＴとなる。
【００２３】
このように、選択信号ＳＥＬを切り替えることで動作する圧電素子を切り替え、発振周波数を切替えることができる。言い換えると、選択信号ＳＥＬによって閉ループを切り替えることで、１つの回路で２つの異なる発振周波数が得られる発振回路を構成することができる。
つまり、この発振器は、２個のインバータを持つために２個の入力を持つが、出力はすべて束ねて１つで実現できる、２入力１出力の回路構成を有している。
【００２４】
図２は、本実施形態の概念図である。なお、ここではＮ個の圧電発振回路を備えた例を示している。
この図２に示すように、各圧電発振回路は、インバータ回路の入力端と出力端との間に帰還抵抗を接続した増幅器をそれぞれ有し、各出力が１つの出力ノードに束ねられている。また、各圧電素子の一端はそれぞれ対応するインバータ回路の入力端に接続され、各圧電素子の他端は共通して上記出力ノードに接続されている。
【００２５】
このとき、制御信号１〜Ｎによって、Ｎ個の圧電発振回路のうち何れか１つが動作するように制御することで、複数の圧電発振回路の出力同士がぶつかることなく、１つだけを選択的に発振させることができる。
ところで、Ｎ個の異なる発振周波数を得るために、図１１に示す構成の発振器をＮ個持たせる場合、Ｎ個の圧電発振回路をそのまま接続すると図１２に示すような構成となり、回路規模は単純にＮ倍となる。また、１組の発振回路と圧電素子とを電気的に接続するためには電極が２個必要であり、Ｎ個の圧電発振回路を持つ場合には２×Ｎ個の電極が必要となる。
【００２６】
したがって、図１２に示す構成では出力の本数が入力と同じ本数だけあるので、多チャンネル化する場合は大きなチップ面積、実装面積が必要となる。このように、複数の発振器を束ねて多チャンネル化に対応しようとする場合、回路規模の増大を抑えることは非常に困難である。
これに対して、本実施形態では、図２に示すように、各発振回路の出力を１つの出力ノードに束ね、各圧電素子の他端を共通して当該出力ノードに接続することで、出力の本数を１本としている。そのため、Ｎ個の圧電発振回路を持つ場合でも、電極の数は（Ｎ＋１）個となり、図１２に示す構成と比較して回路規模を抑えることができる。
【００２７】
また、本実施形態における発振器はセンサ発振器であり、Ｘ１，Ｘ２は感度のそろった圧電素子であるものとする。感度とは、入力に対する出力の変化量を意味し、同じ共振周波数である必要はない。
本実施形態では、図１に示すように、圧電素子Ｘ１を、外部環境を遮断する実装にし、圧電素子Ｘ２を、窓あけするなどして外部環境に曝される（外部環境に影響を受ける）実装にすることで、圧電素子Ｘ１を基準発振器として機能させ、圧電素子Ｘ２をセンサ発振器として機能させる。
【００２８】
図１に示す回路において、選択信号ＳＥＬを一定時間ごとに切り替えて動作させると、基準素子側での発振とセンサ素子側の発振とで切り替わる動作になる。基準発振器側は外部環境と遮断されているので安定な発振を続けるが、センサ発振器側は外部環境に影響を受ける発振周波数になる。この周波数応答は、圧電素子表面に物質が付着するとその質量に応じて共振周波数が変動するために生じている。
【００２９】
この性質を利用することで、質量センサや応力センサなどの物理センサだけでなく、圧電素子に反応膜を形成することでガスセンサに代表される化学センサとしても使用することができる。このように、容易にセンサ回路を構築することができる。
このように、上記第１の実施形態では、複数の発振回路の出力を１つの出力ノードに束ね、複数の圧電素子の一端をそれぞれ各圧電素子に対応する増幅器の入力端に接続すると共に複数の圧電素子の他端を上記出力ノードに共通して接続し、複数の圧電素子のうち何れか１つを駆動するようにするので、多入力１出力の発振器を実現することができる。
【００３０】
このとき、集積した発振回路に、所望の周波数の圧電素子を上述したように接続することで、自由に基本波発振を選択することができる発振器とすることができる。
また、圧電素子を除く回路部をワンチップＩＣで構成することで、ＩＣ内部の発振回路とＩＣ外部の圧電素子とを電気的に接続するための電極が必要となるが、多入力１出力の回路構成とすることで、Ｎ個の圧電発振回路を含む場合でも電極の数は（Ｎ＋１）個に止めることができ、回路規模の増大を抑制することができる。
【００３１】
このように、回路規模や部品点数の増大を抑制しつつ、１つの発振器で複数の発振周波数を自由に選択することができる。
また、電流源と増幅用のトランジスタとの間にそれぞれスイッチング素子（トランジスタ）介装し、各スイッチング素子を制御することで、電流源から複数の増幅器のうち何れか１つのみに電流供給を行うようにするので、比較的簡易な回路構成で、複数の圧電素子から１つを選択する選択回路を実現することができる。
【００３２】
なお、上記第１の実施形態においては、２入力１出力の発振回路について説明したが、入力はいくつであってもよい。例えば、４入力１出力の発振回路とした場合の回路構成は図３に示すようになる。この場合、選択信号ＳＥＬ１〜ＳＥＬ４は、圧電発振回路１１〜１４のうち何れか１つがオンするように制御される。仮に、ＳＥＬ１＝Ｈレベル、ＳＥＬ２＝Ｌレベル、ＳＥＬ３＝Ｌレベル、ＳＥＬ４＝Ｌレベルとすると、トランジスタＳＭ１およびスイッチＳＷ１のみがオンとなり、トランジスタＳＭ２〜ＳＭ４およびスイッチＳＷ２〜ＳＷ４がオフとなるので、圧電発振回路１１のみが動作する状態とすることができる。
この場合にも、４つの圧電素子Ｘ１〜Ｘ４のうち少なくとも一つは外部環境に影響を受ける実装にし、少なくとも一つは外部環境を遮断する実装にすることで、容易にセンサ回路を構築することができる。
【００３３】
次に、本発明における第２の実施形態について説明する。
この第２の実施形態は、前述した第１の実施形態において、伸長用コイルを追加したものである。
図４は、第２の実施形態に係る２入力１出力の発振器を示す図である。
この図４に示すように、第２の実施形態の発振器は、前述した図１の発振器において、発振器の出力ノードＮ１と圧電素子の共通ノードＮ２との間に伸長コイルＬｓが挿入されていることを除いては、図１の発振器と同様の構成を有する。
【００３４】
なお、前述した第１の実施形態と同様に、Ｘ１，Ｘ２は感度のそろった圧電素子であるものとする。また、特に図示しないが、圧電素子Ｘ１を、外部環境を遮断する実装にし、圧電素子Ｘ２を、窓あけするなどして外部環境に曝される（外部環境に影響を受ける）実装にすることで、圧電素子Ｘ１を基準発振器として機能させ、圧電素子Ｘ２をセンサ発振器として機能させる。
伸長コイルＬｓは、周波数感度を向上させるために設けられるものであり、ここではＩＣチップ外部に配置するものとする。
【００３５】
次に、伸長コイルの機能について以下に詳述する。
図５は、伸長コイルの機能を説明するための等価回路である。等価容量をＣｔとすると、ＣＬ１，ＣＬ２，Ｌｓの直列インピーダンスは以下のようになる。
１／（ｊω＊Ｃｔ）＝１／（ｊω＊ＣＬ１）＋１／（ｊω＊ＣＬ２）＋ｊω＊Ｌｓ
１／Ｃｔ ＝（１／ＣＬ１＋１／ＣＬ２）−ω2＊Ｌｓ ………（１）
ここで、ωは角周波数である。また、１／ＣＬ＝１／ＣＬ１＋１／ＣＬ２とすると、上記（１）式より以下の式が導出される。
１／Ｃｔ＝１／ＣＬ−ω2＊Ｌｓ
＝（１−ω2＊Ｌｓ＊ＣＬ ）／ＣＬ
∴ Ｃｔ＝ＣＬ／（１−ω2＊Ｌｓ＊ＣＬ） ………（２）
また、圧電素子の発振周波数ｆは、直列共振周波数ｆｓを用いると、
ｆ＝ｆｓ＊｛１＋Ｃ１／（２＊（Ｃ０＋Ｃｔ））｝
＝ｆｓ＊（１＋Δ） ………（３）
で表される。ここで、Δ＝Ｃ１／（２＊（Ｃ０＋Ｃｔ））、ｆｓ＝１／｛２＊π＊√（Ｌ１＊Ｃ１）｝である。
【００３６】
上記（３）式が周波数感度（可変範囲）のＬｓ依存性を示している。
このとき、上記（２）式からも明らかなように、
ω2＊Ｌｓ＊ＣＬ＞１
Ｌｓ＞１／（ω2＊ＣＬ） ………（４）
を満たす伸長コイルではＣｔは負の容量として動作する。この領域では、上記（３）式が示すようにΔが大きくなるので、周波数可変範囲は大きくなる傾向になる。一方、Ｃｔが正の領域ではΔは小さくなるので、周波数可変範囲は伸長コイルがあっても小さくなる傾向になる。
【００３７】
このように、伸長コイルＬｓを挿入することで周波数の調整を行うことができる。
図６は、本実施形態の概念図である。なお、ここではＮ個の圧電発振回路を備えた例を示している。
この図６に示すように、各圧電発振回路は、インバータ回路の入力端と出力端との間に帰還抵抗を接続した増幅器をそれぞれ有し、各出力が１つの出力ノードに束ねられている。また、各圧電素子の一端はそれぞれ対応するインバータ回路の入力端に接続され、各圧電素子の他端は１つの共通ノードに束ねられ、伸長コイルを介して上記出力ノードに接続されている。
【００３８】
このとき、制御信号１〜Ｎによって、Ｎ個の圧電発振回路のうち何れか１つが動作するように制御することで、複数の圧電発振回路の出力同士がぶつかることなく、１つだけを選択的に発振させることができる。
ところで、Ｎ個の異なる発振周波数を得るために、図１３に示す構成の発振器をＮ個持たせる場合、Ｎ個の圧電発振回路をそのまま接続すると図１４に示すような構成となり、回路規模は単純にＮ倍となる。また、１組の発振回路と圧電素子とを電気的に接続するためには電極が２個必要であり、さらには伸長コイルを接続するための電極も必要となるため、Ｎ個の圧電発振回路を持つ場合には３×Ｎ個の電極が必要となる。
【００３９】
このように、図１４に示す構成では、出力の本数が入力の本数と同じだけあるので、伸長コイルを挿入する場合、出力の本数分コイルを必要とすることになり、この伸長コイルと電極とによって回路面積が大幅に増大してしまう。
これに対して、本実施形態では、図４に示すように、各発振回路の出力を１つの出力ノードに束ね、各圧電素子の他端を共通して当該出力ノードに接続することで、出力の本数を１本とするので、挿入する伸長コイルは出力の本数と同じ１個だけで済み、大きな回路規模の増大を伴わない。また、伸長コイルを上記出力ノードと圧電素子の共通ノードとの間に挿入することにより、伸長コイルの挿入による電極の追加を伴わない。
【００４０】
このように、上記第２の実施形態では、発振器に伸長コイルを挿入するので、伸長コイルのインダクタンス値を調整することで周波数感度を向上させることができる。
また、伸長コイルを発振器の出力ノードと圧電素子の共通ノードとの間に挿入するので、１個の伸長コイルを各発振回路で共通に使うことができるため、部品点数の削減効果があると共に、回路規模の増大を抑制することができる。
【００４１】
なお、上記第２の実施形態においては、２入力１出力の発振回路について説明したが、入力はいくつであってもよい。例えば、４入力１出力の発振回路とした場合の回路構成は図７に示すようになる。この場合、選択信号ＳＥＬ１〜ＳＥＬ４は、圧電発振回路１１〜１４のうち何れか１つがオンするように制御される。例えば、ＳＥＬ１＝Ｈレベル、ＳＥＬ２＝Ｌレベル、ＳＥＬ３＝Ｌレベル、ＳＥＬ４＝Ｌレベルとすれば、トランジスタＳＭ１およびスイッチＳＷ１のみがオンとなり、圧電発振回路１１のみが動作する状態とすることができる。
【００４２】
次に、本発明における第３の実施形態について説明する。
この第３の実施形態は、前述した第１の実施形態において、容量素子Ｃ１，Ｃ２，Ｃｘを可変容量素子としたものである。
図８は、第３の実施形態に係る２入力１出力の発振器を示す図である。
この図８に示すように、第３の実施形態の発振器は、前述した図１の発振器において、容量素子Ｃ１が可変容量素子Ｃ１´に置換され、容量素子Ｃ２が可変容量素子Ｃ２´に置換され、容量素子Ｃｘが可変容量素子Ｃｘ´に置換されていることを除いては、図１の発振器と同様の構成を有する。
【００４３】
なお、前述した第１の実施形態と同様に、Ｘ１，Ｘ２は感度のそろった圧電素子であるものとする。また、特に図示しないが、圧電素子Ｘ１を、外部環境を遮断する実装にし、圧電素子Ｘ２を、窓あけするなどして外部環境に曝される（外部環境に影響を受ける）実装にすることで、圧電素子Ｘ１を基準発振器として機能させ、圧電素子Ｘ２をセンサ発振器として機能させる。
【００４４】
ここで、可変容量素子Ｃ１´，Ｃ２´，Ｃｘ´の容量値は、電圧レベルやデジタルコードによって変えることができる。
このような構成により、前述した第１の実施形態と同様に、選択信号ＳＥＬで閉ループを切替えることで１つの回路で発振周波数が異なる発振回路を構成することができる。さらに、発振回路を構成するＣ１´、Ｃ２´及びＣｘ´は可変容量素子であるので、各容量素子の容量値を変更することで、前記（３）式で示される範囲で周波数を調整することができる。
このように、上記第３の実施形態では、各増幅器の入出力端と接地との間に夫々配置された容量素子を可変容量素子とするので、容易に目的とする周波数に調整することができる。
【００４５】
次に、本発明における第４の実施形態について説明する。
この第４の実施形態は、前述した第３の実施形態において、伸長コイルを追加したものである。
図９は、第４の実施形態に係る２入力１出力の発振器を示す図である。
この図９に示すように、第４の実施形態の発振器は、前述した図８の発振器において、発振器の出力ノードＮ１と圧電素子の共通ノードＮ２との間に伸長コイルＬｓが挿入されていることを除いては、図８の発振器と同様の構成を有する。
なお、前述した第３の実施形態と同様に、Ｘ１，Ｘ２は感度のそろった圧電素子であるものとする。また、特に図示しないが、圧電素子Ｘ１を、外部環境を遮断する実装にし、圧電素子Ｘ２を、窓あけするなどして外部環境に曝される（外部環境に影響を受ける）実装にすることで、圧電素子Ｘ１を基準発振器として機能させ、圧電素子Ｘ２をセンサ発振器として機能させる。
【００４６】
伸長コイルＬｓは、周波数感度を向上させるために設けられるものであり、ここではＩＣチップ外部に配置するものとする。
このような構成により、前述した第３の実施形態と同様に、選択信号ＳＥＬで閉ループを切替えることで１つの回路で発振周波数が異なる発振回路を構成することができる。さらに、発振回路を構成するＣ１´、Ｃ２´及びＣｘ´は可変容量素子であるので、各容量素子の容量値を変更することで、前記（３）式で示される範囲で周波数を調整することができる。加えて、伸長コイルＬｓのインダクタンス値を、前記（４）式を満たすように選択することにより、前述した第３の実施形態の回路よりも広い周波数可変幅をとることができる。
【００４７】
図９に示すように、発振回路を構成するＣ１´、Ｃ２´及びＣｘ´が可変容量素子である場合、各容量素子の容量値を変更することで容易に目的とする周波数に調整することができる。例えば、圧電素子として水晶やＳＡＷデバイスを適用した場合にも同様に周波数の調整が可能であるが、高Ｑ値のため、非常に狭い帯域での調整になる。このような場合、伸長コイルを挿入することで、上記不具合を容易に解消することができる。
【００４８】
次に、本発明における第５の実施形態について説明する。
この第５の実施形態は、前述した第４の実施形態において、伸長コイルＬｓをＩＣチップ内部に配置するようにしたものである。
図１０は、第５の実施形態に係る２入力１出力の発振器を示す図である。
この図１０に示すように、第５の実施形態の発振器は、前述した図９の発振器において、伸長コイルＬｓが、発振器の出力ノードＮ１と圧電素子の共通ノードＮ２との間で、且つＩＣチップ内部に挿入されていることを除いては、図９の発振器と同様の構成を有する。
【００４９】
なお、前述した第４の実施形態と同様に、Ｘ１，Ｘ２は感度のそろった圧電素子であるものとする。また、特に図示しないが、圧電素子Ｘ１を、外部環境を遮断する実装にし、圧電素子Ｘ２を、窓あけするなどして外部環境に曝される（外部環境に影響を受ける）実装にすることで、圧電素子Ｘ１を基準発振器として機能させ、圧電素子Ｘ２をセンサ発振器として機能させる。
【００５０】
発振周波数ｆが１ＧＨｚを超える高周波の場合、必要な伸長コイルは１ｎＨ未満の大きさとなる。このような場合、ＩＣチップ内部に取り込むことで所望の性能を達成できる。
例えば、発振周波数ｆ＝２ＧＨｚ、ＣＬ＝１０ｐＦとした場合、前記（４）式より、
Ｌｓ＞０．６３［ｎＨ］
を得る。この程度の数値ならば、伸長コイルＬｓを十分内蔵可能である。
【００５１】
伸長コイルをＩＣチップに内蔵することにより、伸長コイルを外付けにした場合よりも寄生の影響を受けないようにすることができ、特性を出し易くすることができる。
なお、上記第３〜第５の実施形態においては、容量Ｃ１´、Ｃ２´、Ｃｘ´をすべて可変容量素子で構成する場合について説明したが、仕様によっては全部を可変容量素子で構成する必要はない。
【符号の説明】
【００５２】
１１〜１４ 圧電発振回路
２１，２２ 圧電発振回路
Ｃ１〜Ｃ４，Ｃｘ 容量素子
Ｃ１´，Ｃ２´，Ｃｘ´ 可変容量素子
ＥＬ１〜ＥＬ３ 電極
ＮＭ１〜ＮＭ４ 増幅用トランジスタ
ＳＭ１〜ＳＭ４ 選択用トランジスタ
ＳＷ１〜ＳＷ４ 選択用スイッチ
Ｘ１〜Ｘ４ 圧電素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子を使用した発振器に関し、特に複数の基本波発振を行う発振器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、発振器を複数システムに適応させるための解決法として、発振器の多チャンネル化がある。これは、システムの要求にあわせて発振周波数を切り替え、柔軟に対応するために必須な技術である。
複数の周波数で発振する発振器としては、オーバートーン発振を利用したデュアルモード水晶発振回路（ＮＤＫ）が知られている（例えば、特許文献１参照）。ここでは、水晶振動子の基本波振動に対する３次のオーバートーン振動を発振する第１の発振手段と、水晶振動子の基本波振動に対する５次のオーバートーンを発振する第２の発振手段と、第１、第２の発振手段のいずれか一方と水晶振動子との間に５次のオーバートーン振動の干渉を阻止する帯域制限手段と、を備えることで、安定な３次と５次のオーバートーン発振を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２７４６３３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、上記特許文献１に記載のデュアルモード水晶発振回路にあっては、１つの圧電素子でオーバートーンを取り出す方法を適用することで複数の発振周波数を得るようにしているため、周波数間隔を自由に選択できない。したがって、自由に周波数を選択するには、必要な分だけ発振器を持つ必要がある。
一般に、発振器は、図１１に示すように、インバータ回路と、インバータ回路に並列に接続された帰還抵抗と、インバータ回路の入出力と接地間に夫々接続された容量素子とを含む発振回路と、一端がインバータ回路の入力端に接続されると共に他端がインバータ回路の出力端に接続される圧電素子とを備え、１つの発振回路と１つの圧電素子とを電気的に接続するために２つの電極が必要な構成となっている。
【０００５】
したがって、複数（例えば、Ｎ個）の発振器を持つ場合、図１２に示すように、複数の発振回路と複数の圧電素子とが必要となる。この図１２に示す例では、各発振器の出力が結合容量Ｃｃ１〜ＣｃＮを介して１つに束ねられており、Ｎ個の発振回路のうち１つがオンすることで所望の発振出力を取り出すことができる。しかしながら、このようにＮ個の発振器を束ねた場合、回路面積は図１１に示す発振器のＮ倍になる。
【０００６】
また、図１３に示すような伸長コイルが挿入された発振器を複数持つ場合、図１４に示すように、出力の本数（ここではＮ本）分の伸長コイルと電極の数が増えるため、上述した図１２の例よりもさらに回路規模の増大を招く。
そこで、本発明は、回路規模を増大することなく、複数の発振周波数を自由に選択することができる発振器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係る発振器の一態様は、所定の周波数で励振される圧電素子と、増幅器を有し前記圧電素子に電流を流して当該圧電素子を励振駆動する発振回路と、をそれぞれ含む複数の圧電発振回路を備える発振器であって、前記複数の発振回路の出力が１つの出力ノードに束ねられ、前記複数の圧電素子の一端が、それぞれ各圧電素子に対応する前記増幅器の入力端に接続されると共に、前記複数の圧電素子の他端が前記出力ノードに共通して接続されており、前記複数の圧電素子のうち何れか１つを選択的に駆動する選択回路を備え、前記複数の圧電素子のうち少なくとも一つが、外部環境に影響を受けるよう実装されていることを特徴としている。
【０００８】
このように、複数の発振回路の出力を１つの出力ノードに束ね、ここに必要な周波数の圧電素子の他端を共通して接続する構成とし、選択回路で複数の圧電素子のうち何れか１つを選択して駆動することで、多入力１出力の発振器を実現することができる。これにより、回路規模の増大を抑制しつつ、１つの発振器で複数の発振が可能となる。さらに、複数の圧電素子のうち少なくとも一つを、外部環境に影響を受けるよう実装することで、外部環境の変化に応じて発振周波数が変化するセンサ発振器として適用することが可能となる。
【０００９】
また、上記において、前記外部環境に影響を受けるよう実装される圧電素子は、外部環境に曝されるよう実装されていることを特徴としている。
これにより、確実に外部環境の影響を受けるように構成することができる。
さらに、上記において、前記外部環境に影響を受けるよう実装される圧電素子は、物質が付着するよう構成されていることを特徴としている。
【００１０】
これにより、質量センサや応力センサなどの物理センサとして適用することができる。
また、上記において、前記外部環境に影響を受けるよう実装される圧電素子は、窓あけがなされていることを特徴としている。
これにより、複数の圧電素子のうち所望の圧電素子を、容易且つ適切に外部環境の影響を受ける構成とすることができる。
【００１１】
さらにまた、上記において、前記外部環境に影響を受けるよう実装される圧電素子に、反応膜が形成されていることを特徴としている。
これにより、ガスセンサに代表される化学センサとして適用することができる。
さらに、上記において、前記複数の圧電素子のうち少なくとも一つは外部環境を遮断するよう実装されることを特徴としている。
【００１２】
これにより、外部環境を遮断した圧電素子で、安定な発振を行う基準発振器を構成することができる。
また、上記において、前記選択回路は、電流源と各増幅器との間にそれぞれ介装されたスイッチング素子により構成されており、各スイッチング素子を制御して、前記電流源から前記複数の増幅器のうち何れか１つに電流供給を行うことで、前記複数の圧電素子のうち何れか１つを駆動することを特徴としている。
【００１３】
これにより、比較的簡易な回路構成で選択回路を実現することができる。
さらに、上記において、前記複数の圧電素子の他端が１つに束ねられた共通ノードと前記出力ノードとの間に、伸長用コイルが接続されていることを特徴としている。
これにより、発振器の周波数感度を向上させることができる。
また、上記において、前記圧電素子を除く回路部をワンチップＩＣで構成したことを特徴としている。
【００１４】
これにより、圧電素子を除く回路部を完全なるＩＣ化とすることができる。さらに、伸長用コイルを設ける場合にも、これをＩＣチップに内蔵することで、外付けする場合と比較して寄生の影響を受けないようにすることができ、特性を出し易くすることができる。
また、ＩＣ内部の発振回路とＩＣ外部の圧電素子とを電気的に接続するための電極が必要となるが、多入力１出力の回路構成とすることで、複数の圧電発振回路を含む場合でも電極の数が増大するのを抑制することができる。
【００１５】
さらに、上記において、前記各増幅器の入出力端と接地との間に夫々配置された容量素子を備え、前記複数の容量素子の少なくとも１つが可変容量素子であることを特徴としている。
これにより、容量素子の容量値を調整することが可能となり、周波数出力を容易に目的とする周波数に調整することができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明の発振器は、回路規模や部品点数を増大させることなく、複数の基本波発振を自由に選択することができるセンサ発振器とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１の実施形態に係る発振器を示す図である。
【図２】第１の実施形態の概念図である。
【図３】第１の実施形態における別の例（４入力１出力）を示す図である。
【図４】第２の実施形態に係る発振器を示す図である。
【図５】伸長コイルの機能を説明するための等価回路である。
【図６】第２の実施形態の概念図である。
【図７】第２の実施形態における別の例（４入力１出力）を示す図である。
【図８】第３の実施形態に係る発振器を示す図である。
【図９】第４の実施形態に係る発振器を示す図である。
【図１０】第５の実施形態に係る発振器を示す図である。
【図１１】従来の発振器（伸長コイル無）を示す図である。
【図１２】Ｎ個の発振器（伸長コイル無）を持つ例を示す図である。
【図１３】従来の発振器（伸長コイル有）を示す図である。
【図１４】Ｎ個の発振器（伸長コイル有）を持つ例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る発振器を示す図である。
本実施形態における発振器は、ＩＣ内部に配置された発振回路とＩＣ外部に配置された圧電素子との組からなる圧電発振回路１１，１２を備える。
図中ＮＭ１，ＮＭ２はインバータとして機能するトランジスタであり、トランジスタＮＭ１，ＮＭ２の各ゲートは、夫々圧電素子Ｘ１，Ｘ２の一端と電極ＥＬ１，ＥＬ２を介して電気的に接続されている。
【００１９】
また、トランジスタＮＭ１，ＮＭ２と電流源との間に介装されるＳＭ１，ＳＭ２は、選択信号ＳＥＬ１，ＳＥＬ２を受けることでオン／オフ制御されるトランジスタであり、トランジスタＳＭ１（又はＳＭ２）がオンの場合は、インバータとして機能するトランジスタＮＭ１（又はＮＭ２）へ発振器電流Ｉｄｃを流し込み、オフの場合はトランジスタＮＭ１（又はＮＭ２）へ流れ込む発振器電流Ｉｄｃを遮断する。
【００２０】
さらに、Ｒ１，Ｒ２は発振回路の動作点を決定する抵抗で、該抵抗に直列につながるＳＷ１，ＳＷ２はトランジスタＳＭ１，ＳＭ２と夫々連動してオン／オフするスイッチである。また、Ｃ１，Ｃ２は発振回路の入力側につく容量、Ｃｘは発振回路の出力側につく容量である。
圧電発振回路１１，１２の出力は、図示の通り出力ノードＮ１で１つに束ねられており、出力ノードＮ１と圧電素子Ｘ１，Ｘ２の他端を１つに束ねた共通ノードＮ２とが、電極ＥＬ３を介して電気的に接続された構成となっている。
【００２１】
そして、制御信号ＳＥＬがＨレベルであるときには、制御信号ＳＥＬ１＝Ｈレベル、制御信号ＳＥＬ＝Ｌレベルとなり、トランジスタＳＭ１及びスイッチＳＷ１がオン、トランジスタＳＭ２及びスイッチＳＷ２がオフとなる。その結果、電流源Ｉｄｃと圧電発振回路１１のＮＭ１，Ｃ１，Ｃｘ，Ｘ１を含む閉ループとで発振器を構成し、圧電発振回路１１の出力が最終的な出力ＯＵＴとなる。
【００２２】
一方、制御信号ＳＥＬがＬレベルであるときには、制御信号ＳＥＬ１＝Ｌレベル、制御信号ＳＥＬ＝Ｈレベルとなり、トランジスタＳＭ２及びスイッチＳＷ２がオン、トランジスタＳＭ１及びスイッチＳＷ１がオフとなる。その結果、電流源Ｉｄｃと圧電発振回路１２のＮＭ２，Ｃ２，Ｃｘ，Ｘ２を含む閉ループとで発振器を構成し、圧電発振回路１２の出力が最終的な出力ＯＵＴとなる。
【００２３】
このように、選択信号ＳＥＬを切り替えることで動作する圧電素子を切り替え、発振周波数を切替えることができる。言い換えると、選択信号ＳＥＬによって閉ループを切り替えることで、１つの回路で２つの異なる発振周波数が得られる発振回路を構成することができる。
つまり、この発振器は、２個のインバータを持つために２個の入力を持つが、出力はすべて束ねて１つで実現できる、２入力１出力の回路構成を有している。
【００２４】
図２は、本実施形態の概念図である。なお、ここではＮ個の圧電発振回路を備えた例を示している。
この図２に示すように、各圧電発振回路は、インバータ回路の入力端と出力端との間に帰還抵抗を接続した増幅器をそれぞれ有し、各出力が１つの出力ノードに束ねられている。また、各圧電素子の一端はそれぞれ対応するインバータ回路の入力端に接続され、各圧電素子の他端は共通して上記出力ノードに接続されている。
【００２５】
このとき、制御信号１〜Ｎによって、Ｎ個の圧電発振回路のうち何れか１つが動作するように制御することで、複数の圧電発振回路の出力同士がぶつかることなく、１つだけを選択的に発振させることができる。
ところで、Ｎ個の異なる発振周波数を得るために、図１１に示す構成の発振器をＮ個持たせる場合、Ｎ個の圧電発振回路をそのまま接続すると図１２に示すような構成となり、回路規模は単純にＮ倍となる。また、１組の発振回路と圧電素子とを電気的に接続するためには電極が２個必要であり、Ｎ個の圧電発振回路を持つ場合には２×Ｎ個の電極が必要となる。
【００２６】
したがって、図１２に示す構成では出力の本数が入力と同じ本数だけあるので、多チャンネル化する場合は大きなチップ面積、実装面積が必要となる。このように、複数の発振器を束ねて多チャンネル化に対応しようとする場合、回路規模の増大を抑えることは非常に困難である。
これに対して、本実施形態では、図２に示すように、各発振回路の出力を１つの出力ノードに束ね、各圧電素子の他端を共通して当該出力ノードに接続することで、出力の本数を１本としている。そのため、Ｎ個の圧電発振回路を持つ場合でも、電極の数は（Ｎ＋１）個となり、図１２に示す構成と比較して回路規模を抑えることができる。
【００２７】
また、本実施形態における発振器はセンサ発振器であり、Ｘ１，Ｘ２は感度のそろった圧電素子であるものとする。感度とは、入力に対する出力の変化量を意味し、同じ共振周波数である必要はない。
本実施形態では、図１に示すように、圧電素子Ｘ１を、外部環境を遮断する実装にし、圧電素子Ｘ２を、窓あけするなどして外部環境に曝される（外部環境に影響を受ける）実装にすることで、圧電素子Ｘ１を基準発振器として機能させ、圧電素子Ｘ２をセンサ発振器として機能させる。
【００２８】
図１に示す回路において、選択信号ＳＥＬを一定時間ごとに切り替えて動作させると、基準素子側での発振とセンサ素子側の発振とで切り替わる動作になる。基準発振器側は外部環境と遮断されているので安定な発振を続けるが、センサ発振器側は外部環境に影響を受ける発振周波数になる。この周波数応答は、圧電素子表面に物質が付着するとその質量に応じて共振周波数が変動するために生じている。
【００２９】
この性質を利用することで、質量センサや応力センサなどの物理センサだけでなく、圧電素子に反応膜を形成することでガスセンサに代表される化学センサとしても使用することができる。このように、容易にセンサ回路を構築することができる。
このように、上記第１の実施形態では、複数の発振回路の出力を１つの出力ノードに束ね、複数の圧電素子の一端をそれぞれ各圧電素子に対応する増幅器の入力端に接続すると共に複数の圧電素子の他端を上記出力ノードに共通して接続し、複数の圧電素子のうち何れか１つを駆動するようにするので、多入力１出力の発振器を実現することができる。
【００３０】
このとき、集積した発振回路に、所望の周波数の圧電素子を上述したように接続することで、自由に基本波発振を選択することができる発振器とすることができる。
また、圧電素子を除く回路部をワンチップＩＣで構成することで、ＩＣ内部の発振回路とＩＣ外部の圧電素子とを電気的に接続するための電極が必要となるが、多入力１出力の回路構成とすることで、Ｎ個の圧電発振回路を含む場合でも電極の数は（Ｎ＋１）個に止めることができ、回路規模の増大を抑制することができる。
【００３１】
このように、回路規模や部品点数の増大を抑制しつつ、１つの発振器で複数の発振周波数を自由に選択することができる。
また、電流源と増幅用のトランジスタとの間にそれぞれスイッチング素子（トランジスタ）介装し、各スイッチング素子を制御することで、電流源から複数の増幅器のうち何れか１つのみに電流供給を行うようにするので、比較的簡易な回路構成で、複数の圧電素子から１つを選択する選択回路を実現することができる。
【００３２】
なお、上記第１の実施形態においては、２入力１出力の発振回路について説明したが、入力はいくつであってもよい。例えば、４入力１出力の発振回路とした場合の回路構成は図３に示すようになる。この場合、選択信号ＳＥＬ１〜ＳＥＬ４は、圧電発振回路１１〜１４のうち何れか１つがオンするように制御される。仮に、ＳＥＬ１＝Ｈレベル、ＳＥＬ２＝Ｌレベル、ＳＥＬ３＝Ｌレベル、ＳＥＬ４＝Ｌレベルとすると、トランジスタＳＭ１およびスイッチＳＷ１のみがオンとなり、トランジスタＳＭ２〜ＳＭ４およびスイッチＳＷ２〜ＳＷ４がオフとなるので、圧電発振回路１１のみが動作する状態とすることができる。
この場合にも、４つの圧電素子Ｘ１〜Ｘ４のうち少なくとも一つは外部環境に影響を受ける実装にし、少なくとも一つは外部環境を遮断する実装にすることで、容易にセンサ回路を構築することができる。
【００３３】
次に、本発明における第２の実施形態について説明する。
この第２の実施形態は、前述した第１の実施形態において、伸長用コイルを追加したものである。
図４は、第２の実施形態に係る２入力１出力の発振器を示す図である。
この図４に示すように、第２の実施形態の発振器は、前述した図１の発振器において、発振器の出力ノードＮ１と圧電素子の共通ノードＮ２との間に伸長コイルＬｓが挿入されていることを除いては、図１の発振器と同様の構成を有する。
【００３４】
なお、前述した第１の実施形態と同様に、Ｘ１，Ｘ２は感度のそろった圧電素子であるものとする。また、特に図示しないが、圧電素子Ｘ１を、外部環境を遮断する実装にし、圧電素子Ｘ２を、窓あけするなどして外部環境に曝される（外部環境に影響を受ける）実装にすることで、圧電素子Ｘ１を基準発振器として機能させ、圧電素子Ｘ２をセンサ発振器として機能させる。
伸長コイルＬｓは、周波数感度を向上させるために設けられるものであり、ここではＩＣチップ外部に配置するものとする。
【００３５】
次に、伸長コイルの機能について以下に詳述する。
図５は、伸長コイルの機能を説明するための等価回路である。等価容量をＣｔとすると、ＣＬ１，ＣＬ２，Ｌｓの直列インピーダンスは以下のようになる。
１／（ｊω＊Ｃｔ）＝１／（ｊω＊ＣＬ１）＋１／（ｊω＊ＣＬ２）＋ｊω＊Ｌｓ
１／Ｃｔ ＝（１／ＣＬ１＋１／ＣＬ２）−ω2＊Ｌｓ ………（１）
ここで、ωは角周波数である。また、１／ＣＬ＝１／ＣＬ１＋１／ＣＬ２とすると、上記（１）式より以下の式が導出される。
１／Ｃｔ＝１／ＣＬ−ω2＊Ｌｓ
＝（１−ω2＊Ｌｓ＊ＣＬ ）／ＣＬ
∴ Ｃｔ＝ＣＬ／（１−ω2＊Ｌｓ＊ＣＬ） ………（２）
また、圧電素子の発振周波数ｆは、直列共振周波数ｆｓを用いると、
ｆ＝ｆｓ＊｛１＋Ｃ１／（２＊（Ｃ０＋Ｃｔ））｝
＝ｆｓ＊（１＋Δ） ………（３）
で表される。ここで、Δ＝Ｃ１／（２＊（Ｃ０＋Ｃｔ））、ｆｓ＝１／｛２＊π＊√（Ｌ１＊Ｃ１）｝である。
【００３６】
上記（３）式が周波数感度（可変範囲）のＬｓ依存性を示している。
このとき、上記（２）式からも明らかなように、
ω2＊Ｌｓ＊ＣＬ＞１
Ｌｓ＞１／（ω2＊ＣＬ） ………（４）
を満たす伸長コイルではＣｔは負の容量として動作する。この領域では、上記（３）式が示すようにΔが大きくなるので、周波数可変範囲は大きくなる傾向になる。一方、Ｃｔが正の領域ではΔは小さくなるので、周波数可変範囲は伸長コイルがあっても小さくなる傾向になる。
【００３７】
このように、伸長コイルＬｓを挿入することで周波数の調整を行うことができる。
図６は、本実施形態の概念図である。なお、ここではＮ個の圧電発振回路を備えた例を示している。
この図６に示すように、各圧電発振回路は、インバータ回路の入力端と出力端との間に帰還抵抗を接続した増幅器をそれぞれ有し、各出力が１つの出力ノードに束ねられている。また、各圧電素子の一端はそれぞれ対応するインバータ回路の入力端に接続され、各圧電素子の他端は１つの共通ノードに束ねられ、伸長コイルを介して上記出力ノードに接続されている。
【００３８】
このとき、制御信号１〜Ｎによって、Ｎ個の圧電発振回路のうち何れか１つが動作するように制御することで、複数の圧電発振回路の出力同士がぶつかることなく、１つだけを選択的に発振させることができる。
ところで、Ｎ個の異なる発振周波数を得るために、図１３に示す構成の発振器をＮ個持たせる場合、Ｎ個の圧電発振回路をそのまま接続すると図１４に示すような構成となり、回路規模は単純にＮ倍となる。また、１組の発振回路と圧電素子とを電気的に接続するためには電極が２個必要であり、さらには伸長コイルを接続するための電極も必要となるため、Ｎ個の圧電発振回路を持つ場合には３×Ｎ個の電極が必要となる。
【００３９】
このように、図１４に示す構成では、出力の本数が入力の本数と同じだけあるので、伸長コイルを挿入する場合、出力の本数分コイルを必要とすることになり、この伸長コイルと電極とによって回路面積が大幅に増大してしまう。
これに対して、本実施形態では、図４に示すように、各発振回路の出力を１つの出力ノードに束ね、各圧電素子の他端を共通して当該出力ノードに接続することで、出力の本数を１本とするので、挿入する伸長コイルは出力の本数と同じ１個だけで済み、大きな回路規模の増大を伴わない。また、伸長コイルを上記出力ノードと圧電素子の共通ノードとの間に挿入することにより、伸長コイルの挿入による電極の追加を伴わない。
【００４０】
このように、上記第２の実施形態では、発振器に伸長コイルを挿入するので、伸長コイルのインダクタンス値を調整することで周波数感度を向上させることができる。
また、伸長コイルを発振器の出力ノードと圧電素子の共通ノードとの間に挿入するので、１個の伸長コイルを各発振回路で共通に使うことができるため、部品点数の削減効果があると共に、回路規模の増大を抑制することができる。
【００４１】
なお、上記第２の実施形態においては、２入力１出力の発振回路について説明したが、入力はいくつであってもよい。例えば、４入力１出力の発振回路とした場合の回路構成は図７に示すようになる。この場合、選択信号ＳＥＬ１〜ＳＥＬ４は、圧電発振回路１１〜１４のうち何れか１つがオンするように制御される。例えば、ＳＥＬ１＝Ｈレベル、ＳＥＬ２＝Ｌレベル、ＳＥＬ３＝Ｌレベル、ＳＥＬ４＝Ｌレベルとすれば、トランジスタＳＭ１およびスイッチＳＷ１のみがオンとなり、圧電発振回路１１のみが動作する状態とすることができる。
【００４２】
次に、本発明における第３の実施形態について説明する。
この第３の実施形態は、前述した第１の実施形態において、容量素子Ｃ１，Ｃ２，Ｃｘを可変容量素子としたものである。
図８は、第３の実施形態に係る２入力１出力の発振器を示す図である。
この図８に示すように、第３の実施形態の発振器は、前述した図１の発振器において、容量素子Ｃ１が可変容量素子Ｃ１´に置換され、容量素子Ｃ２が可変容量素子Ｃ２´に置換され、容量素子Ｃｘが可変容量素子Ｃｘ´に置換されていることを除いては、図１の発振器と同様の構成を有する。
【００４３】
なお、前述した第１の実施形態と同様に、Ｘ１，Ｘ２は感度のそろった圧電素子であるものとする。また、特に図示しないが、圧電素子Ｘ１を、外部環境を遮断する実装にし、圧電素子Ｘ２を、窓あけするなどして外部環境に曝される（外部環境に影響を受ける）実装にすることで、圧電素子Ｘ１を基準発振器として機能させ、圧電素子Ｘ２をセンサ発振器として機能させる。
【００４４】
ここで、可変容量素子Ｃ１´，Ｃ２´，Ｃｘ´の容量値は、電圧レベルやデジタルコードによって変えることができる。
このような構成により、前述した第１の実施形態と同様に、選択信号ＳＥＬで閉ループを切替えることで１つの回路で発振周波数が異なる発振回路を構成することができる。さらに、発振回路を構成するＣ１´、Ｃ２´及びＣｘ´は可変容量素子であるので、各容量素子の容量値を変更することで、前記（３）式で示される範囲で周波数を調整することができる。
このように、上記第３の実施形態では、各増幅器の入出力端と接地との間に夫々配置された容量素子を可変容量素子とするので、容易に目的とする周波数に調整することができる。
【００４５】
次に、本発明における第４の実施形態について説明する。
この第４の実施形態は、前述した第３の実施形態において、伸長コイルを追加したものである。
図９は、第４の実施形態に係る２入力１出力の発振器を示す図である。
この図９に示すように、第４の実施形態の発振器は、前述した図８の発振器において、発振器の出力ノードＮ１と圧電素子の共通ノードＮ２との間に伸長コイルＬｓが挿入されていることを除いては、図８の発振器と同様の構成を有する。
なお、前述した第３の実施形態と同様に、Ｘ１，Ｘ２は感度のそろった圧電素子であるものとする。また、特に図示しないが、圧電素子Ｘ１を、外部環境を遮断する実装にし、圧電素子Ｘ２を、窓あけするなどして外部環境に曝される（外部環境に影響を受ける）実装にすることで、圧電素子Ｘ１を基準発振器として機能させ、圧電素子Ｘ２をセンサ発振器として機能させる。
【００４６】
伸長コイルＬｓは、周波数感度を向上させるために設けられるものであり、ここではＩＣチップ外部に配置するものとする。
このような構成により、前述した第３の実施形態と同様に、選択信号ＳＥＬで閉ループを切替えることで１つの回路で発振周波数が異なる発振回路を構成することができる。さらに、発振回路を構成するＣ１´、Ｃ２´及びＣｘ´は可変容量素子であるので、各容量素子の容量値を変更することで、前記（３）式で示される範囲で周波数を調整することができる。加えて、伸長コイルＬｓのインダクタンス値を、前記（４）式を満たすように選択することにより、前述した第３の実施形態の回路よりも広い周波数可変幅をとることができる。
【００４７】
図９に示すように、発振回路を構成するＣ１´、Ｃ２´及びＣｘ´が可変容量素子である場合、各容量素子の容量値を変更することで容易に目的とする周波数に調整することができる。例えば、圧電素子として水晶やＳＡＷデバイスを適用した場合にも同様に周波数の調整が可能であるが、高Ｑ値のため、非常に狭い帯域での調整になる。このような場合、伸長コイルを挿入することで、上記不具合を容易に解消することができる。
【００４８】
次に、本発明における第５の実施形態について説明する。
この第５の実施形態は、前述した第４の実施形態において、伸長コイルＬｓをＩＣチップ内部に配置するようにしたものである。
図１０は、第５の実施形態に係る２入力１出力の発振器を示す図である。
この図１０に示すように、第５の実施形態の発振器は、前述した図９の発振器において、伸長コイルＬｓが、発振器の出力ノードＮ１と圧電素子の共通ノードＮ２との間で、且つＩＣチップ内部に挿入されていることを除いては、図９の発振器と同様の構成を有する。
【００４９】
なお、前述した第４の実施形態と同様に、Ｘ１，Ｘ２は感度のそろった圧電素子であるものとする。また、特に図示しないが、圧電素子Ｘ１を、外部環境を遮断する実装にし、圧電素子Ｘ２を、窓あけするなどして外部環境に曝される（外部環境に影響を受ける）実装にすることで、圧電素子Ｘ１を基準発振器として機能させ、圧電素子Ｘ２をセンサ発振器として機能させる。
【００５０】
発振周波数ｆが１ＧＨｚを超える高周波の場合、必要な伸長コイルは１ｎＨ未満の大きさとなる。このような場合、ＩＣチップ内部に取り込むことで所望の性能を達成できる。
例えば、発振周波数ｆ＝２ＧＨｚ、ＣＬ＝１０ｐＦとした場合、前記（４）式より、
Ｌｓ＞０．６３［ｎＨ］
を得る。この程度の数値ならば、伸長コイルＬｓを十分内蔵可能である。
【００５１】
伸長コイルをＩＣチップに内蔵することにより、伸長コイルを外付けにした場合よりも寄生の影響を受けないようにすることができ、特性を出し易くすることができる。
なお、上記第３〜第５の実施形態においては、容量Ｃ１´、Ｃ２´、Ｃｘ´をすべて可変容量素子で構成する場合について説明したが、仕様によっては全部を可変容量素子で構成する必要はない。
【符号の説明】
【００５２】
１１〜１４ 圧電発振回路
２１，２２ 圧電発振回路
Ｃ１〜Ｃ４，Ｃｘ 容量素子
Ｃ１´，Ｃ２´，Ｃｘ´ 可変容量素子
ＥＬ１〜ＥＬ３ 電極
ＮＭ１〜ＮＭ４ 増幅用トランジスタ
ＳＭ１〜ＳＭ４ 選択用トランジスタ
ＳＷ１〜ＳＷ４ 選択用スイッチ
Ｘ１〜Ｘ４ 圧電素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の周波数で励振される圧電素子と、増幅器を有し前記圧電素子に電流を流して当該圧電素子を励振駆動する発振回路と、をそれぞれ含む複数の圧電発振回路を備える発振器であって、
前記複数の発振回路の出力が１つの出力ノードに束ねられ、
前記複数の圧電素子の一端が、それぞれ各圧電素子に対応する前記増幅器の入力端に接続されると共に、前記複数の圧電素子の他端が前記出力ノードに共通して接続されており、
前記複数の圧電素子のうち何れか１つを選択的に駆動する選択回路を備え、
前記複数の圧電素子のうち少なくとも一つが、外部環境に影響を受けるよう実装されていることを特徴とする発振器。
【請求項２】
前記外部環境に影響を受けるよう実装される圧電素子は、外部環境に曝されるよう実装されていることを特徴とする請求項１に記載の発振器。
【請求項３】
前記外部環境に影響を受けるよう実装される圧電素子は、物質が付着するよう構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の発振器。
【請求項４】
前記外部環境に影響を受けるよう実装される圧電素子は、窓あけがなされていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の発振器。
【請求項５】
前記外部環境に影響を受けるよう実装される圧電素子に、反応膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の発振器。
【請求項６】
前記複数の圧電素子のうち少なくとも一つは外部環境を遮断するよう実装されることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の発振器。
【請求項７】
前記選択回路は、電流源と各増幅器との間にそれぞれ介装されたスイッチング素子により構成されており、各スイッチング素子を制御して、前記電流源から前記複数の増幅器のうち何れか１つに電流供給を行うことで、前記複数の圧電素子のうち何れか１つを駆動することを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の発振器。
【請求項８】
前記複数の圧電素子の他端が１つに束ねられた共通ノードと前記出力ノードとの間に、伸長用コイルが接続されていることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の発振器。
【請求項９】
前記圧電素子を除く回路部をワンチップＩＣで構成したことを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の発振器。
【請求項１０】
前記各増幅器の入出力端と接地との間に夫々配置された容量素子を備え、前記複数の容量素子の少なくとも１つが可変容量素子であることを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載の発振器。
【請求項１】
所定の周波数で励振される圧電素子と、増幅器を有し前記圧電素子に電流を流して当該圧電素子を励振駆動する発振回路と、をそれぞれ含む複数の圧電発振回路を備える発振器であって、
前記複数の発振回路の出力が１つの出力ノードに束ねられ、
前記複数の圧電素子の一端が、それぞれ各圧電素子に対応する前記増幅器の入力端に接続されると共に、前記複数の圧電素子の他端が前記出力ノードに共通して接続されており、
前記複数の圧電素子のうち何れか１つを選択的に駆動する選択回路を備え、
前記複数の圧電素子のうち少なくとも一つが、外部環境に影響を受けるよう実装されていることを特徴とする発振器。
【請求項２】
前記外部環境に影響を受けるよう実装される圧電素子は、外部環境に曝されるよう実装されていることを特徴とする請求項１に記載の発振器。
【請求項３】
前記外部環境に影響を受けるよう実装される圧電素子は、物質が付着するよう構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の発振器。
【請求項４】
前記外部環境に影響を受けるよう実装される圧電素子は、窓あけがなされていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の発振器。
【請求項５】
前記外部環境に影響を受けるよう実装される圧電素子に、反応膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の発振器。
【請求項６】
前記複数の圧電素子のうち少なくとも一つは外部環境を遮断するよう実装されることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の発振器。
【請求項７】
前記選択回路は、電流源と各増幅器との間にそれぞれ介装されたスイッチング素子により構成されており、各スイッチング素子を制御して、前記電流源から前記複数の増幅器のうち何れか１つに電流供給を行うことで、前記複数の圧電素子のうち何れか１つを駆動することを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の発振器。
【請求項８】
前記複数の圧電素子の他端が１つに束ねられた共通ノードと前記出力ノードとの間に、伸長用コイルが接続されていることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の発振器。
【請求項９】
前記圧電素子を除く回路部をワンチップＩＣで構成したことを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の発振器。
【請求項１０】
前記各増幅器の入出力端と接地との間に夫々配置された容量素子を備え、前記複数の容量素子の少なくとも１つが可変容量素子であることを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載の発振器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−１９５９７４（Ｐ２０１２−１９５９７４Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１５６３６７（Ｐ２０１２−１５６３６７）
【出願日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【分割の表示】特願２００８−１８８２２６（Ｐ２００８−１８８２２６）の分割
【原出願日】平成２０年７月２２日（２００８．７．２２）
【出願人】（３０３０４６２７７）旭化成エレクトロニクス株式会社 (840)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【分割の表示】特願２００８−１８８２２６（Ｐ２００８−１８８２２６）の分割
【原出願日】平成２０年７月２２日（２００８．７．２２）
【出願人】（３０３０４６２７７）旭化成エレクトロニクス株式会社 (840)
【Ｆターム（参考）】
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