発振回路
【課題】発振回路において、起動時間を有効に短縮できる発振回路を提供する。
【解決手段】本発明の発振回路は、振動子とこの振動子を駆動する第１の電圧信号とこの第１の電源電圧信号よりも高い電圧により振動子を駆動する第２の電圧信号と前記振動子の振幅を増幅するための増幅回路とを有する発振回路において、前記第１の電圧信号によって前記振動子の駆動を開始し、その後に前記第１の電圧信号から前記第２の電圧信号へ切り替える切り替え信号を発生する切り替え信号発生回路を備える。これにより、振動子を安定して駆動するまでの起動時間を有効に短縮した発振回路を提供できる。
【解決手段】本発明の発振回路は、振動子とこの振動子を駆動する第１の電圧信号とこの第１の電源電圧信号よりも高い電圧により振動子を駆動する第２の電圧信号と前記振動子の振幅を増幅するための増幅回路とを有する発振回路において、前記第１の電圧信号によって前記振動子の駆動を開始し、その後に前記第１の電圧信号から前記第２の電圧信号へ切り替える切り替え信号を発生する切り替え信号発生回路を備える。これにより、振動子を安定して駆動するまでの起動時間を有効に短縮した発振回路を提供できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は振動子を有する発振回路に関し、特に発振回路の起動時間の短縮に関する。
【背景技術】
【０００２】
発振回路は、時計、コンピュータ、携帯情報端末等に広く利用されている。また、クロック源として以外にも、たとえば振動型ジャイロセンサなどに用いられる。
【０００３】
振動型ジャイロセンサは、振動子を用いて角速度を検出する物理量センサであり、他の方式に比べて小型化に有利であることから、車載用カーナビゲーションシステムやカメラ等の手振れ検出の用途に用いられており、今後、携帯情報端末や携帯ゲーム機器などへの応用が期待されている。
【０００４】
振動型ジャイロセンサは、振動子を発振させておき、回転時に振動子の脚にかかるコリオリ力を検出することで角速度を測定するものである。このような発振回路を含む装置においては、発振回路の起動時間は、装置の起動時間につながるため、非常に重要である。
【０００５】
また、発振回路を用いた電子機器では一般に消費電力の低減が必要とされており、バッテリーで動作する携帯型の機器については特に重要である。したがって、発振回路を持つ装置が携帯型機器に搭載される場合には、その消費電力を抑えるため、通常は発振を停止させておき、必要なときにだけ起動させるという手法がとられる。このような間欠動作の場合、必要なときにすばやく発振状態になることを要求されるため、発振回路の起動時間短縮が特に重要となる。
【０００６】
間欠動作をさせる発振回路の場合、待機時に振動子を微小振動させておくことで再起動時間を短縮するという方式が存在する。しかしこの方式では、待機時にも電力を消費してしまう。したがって、待機時には振動子を停止させておくことが望ましい。
【０００７】
また、発振回路の起動時間短縮の手段として、特許文献１に示される、昇圧回路を用いた方式が知られている。電源投入後、この発振回路は外部より供給される電源電圧を、電源電圧昇圧手段により昇圧し、この昇圧電圧を発振回路の電源電圧として用いている。そして、一定時間経過後に、電源電圧昇圧手段により昇圧された昇圧電圧より低い通常の電源電圧を発振回路の電源電圧として用いている。これにより、振動子に印加される電界が強くなり、発振の成長を促進するため、起動時間が短縮される。
【０００８】
【特許文献１】特開平５―２５９７３８号公報（第４頁、図８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に記載の発振回路では、電源投入から電源電圧昇圧手段により昇圧された昇圧電圧が安定するまでの間に、発振回路の振動子に全く電界を印加していない一定時間が存在する。これは、昇圧電圧が安定する前に昇圧電圧を振動子に印加してしまうと、昇圧電圧が安定するまでにより多くの時間を必要とするため、あえて昇圧電圧が安定する一定時間の間は振動子を駆動しないようにしている。しかし、このような構成では、昇圧電圧が安定するまでの一定時間は、振動子が全く駆動していないので、起動時間を有効に短縮できないという問題がある。
【００１０】
本発明は、上述した従来技術による問題点を解決するためになされたものであり、起動
時間を有効に短縮できる発振回路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】
【００１１】
上記の課題を解決するために、本発明にかかる発振回路は、振動子と、この振動子を駆動する第１の電圧信号と、この第１の電圧信号よりも高い電圧により前記振動子を駆動する第２の電圧信号と、前記振動子の振幅を増幅するための増幅回路と、を有する発振回路において、前記第１の電圧信号によって前記振動子の駆動を開始し、その後に前記第１の電圧信号から前記第２の電圧信号へ切り替える切り替え信号発生回路を備えることを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、電源投入直後からまず低い電圧の第１の電圧信号によって振動子を駆動し、その後に第１の電圧信号よりも高い電圧の第２の電圧信号に切り替えるので、高い電圧で発振を開始する場合に起こる発振条件の変化を抑制し、安定した状態で発振成長を開始できるため、起動時間を有効に短縮することができる。
【００１３】
また、切り替え信号発生回路は、前記振動子の発振状態を監視する監視回路を有し、この監視回路は、前記振動子の振幅が安定する前の所定の振幅状態に到達したことを検知し、前記切り替え信号発生回路によって前記第１の電圧信号から前記第２の電圧信号へ切り替えることを特徴とする。
【００１４】
この構成によれば、前記振動子の起動するたびに発振の成長の様子が変わっても、最適なタイミングで前記第１の電圧信号から前期第２の電圧信号へ切り替えることが出来る。
【００１５】
また、切り替え信号発生回路は、タイマを有し、前記振動子の発振開始から一定時間を経過したときに、切り替え信号を発生し、前期第１の電圧信号から前記第２の電圧信号へ切り替えることを特徴とする。この構成によれば、切り替え信号発生回路の構成を単純化できる。
【００１６】
また、前記切り替え信号発生回路は監視回路を有し、前記発振状態が所定の振幅状態であることを前記監視回路が判断したとき、前記第２の電圧信号から前記第１の電圧信号へ再度切り替えることを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、発振成長終了後の定常状態において、振動子と増幅回路とを備えた発振ループでの消費電力を抑えることが可能となる。
【００１８】
また、前記振動子と前記増幅回路とを備えた発振ループに自動利得制御回路を有し、前記自動利得制御回路は、前記第２の電源供給回路から前記第１の電源供給回路への切り替えと同時に、または、前記第２の電源供給回路から前記第１の電源供給回路へ切り替えた後に、自動利得制御を行うことを特徴とする。
【００１９】
この構成によれば、正弦波発振する発振回路、または、発振振幅を所望の値に設定した発振回路が実現できる。これにより、振動型ジャイロセンサ等の装置への利用が可能となる。
【００２０】
また、前記第１の電圧信号および前記第２の電圧信号を生成するときに、前記増幅回路に電源電圧を供給する、第１の電源供給回路及び第２の電源供給回路を有し、前記第２の電源供給回路は昇圧回路を備え、この昇圧回路から生成される昇圧電圧は、前記第１の電源供給回路から供給される第１の電源電圧を用いて生成されること特徴とする。
【００２１】
この構成によれば、外部電源が１つ不要となり、単一の電源で動作が可能となる。また
、１つの外部電源のみで起動時間が短縮できる。
【００２２】
また、前記第１の電源供給回路は参照電圧生成回路を備え、前記第２の電源供給回路を用いて、参照電圧を生成することを特徴とする。この構成によれば、１つの外部電源のみで定常状態での消費電力を低減できる。
【００２３】
また、前記増幅回路は、第１の電源供給回路及び第２の電源供給回路から生成されるそれぞれの電源電圧により動作する第１の増幅回路及び第２の増幅回路を備え、前記第１の電圧信号及び前記第２の電圧信号は、それぞれに前記第１の増幅回路及び前記第２の増幅回路から出力されることを特徴とする。
【００２４】
この構成によれば、第１の電圧信号を増幅する増幅回路と、第２の電圧信号を増幅する増幅回路とが分離されるため、それぞれに最適な回路設計や電源制御をすることができ、設計や低消費電力化がしやすくなる。
【００２５】
また、前記第１の増幅回路と前記第２の増幅回路の出力側に、前記第１の電圧信号と前記第２の電圧信号とを切り替える出力信号切り替え回路を備えることを特徴とする。この構成によれば、前記第１の電圧信号と前記第２の電圧信号とを、簡単な回路で切り替えることが出来る。
【００２６】
また、前記第２の増幅回路は、前記第１の増幅回路よりも高耐圧であることを特徴とする。この構成によれば、前記第１の増幅回路と、前記第２の増幅回路のそれぞれについて、扱う電圧の高低に応じて適した回路構成やトランジスタ、抵抗等を使用できるため、前記第１の増幅回路と前記第２の増幅回路の設計の自由度が上がる。
【００２７】
また、前記第２の増幅回路は、インバータを有することを特徴とする。また、前記インバータの論理閾値は、前記第１の電源供給回路から供給される第１の電源電圧とＧＮＤとの間の電圧に設定されていることを特徴とする。この構成によれば、前記第２の増幅回路が簡単に構成でき、さらに前記第２の増幅回路に入力される信号に直流バイアスをかける必要が無くなるため、回路が簡略化できる。
【００２８】
また、前記第２の増幅回路は、前記インバータの入力側に前記インバータの入力電圧を切り替える入力電圧切り替え回路を備え、この入力電圧切り替え回路によって前記入力電圧を固定することができることを特徴とする。この構成によれば、前記第２の増幅回路を使用しない時、前記インバータの入力電圧を固定することで、前記インバータの貫通電流による電力消費を抑えることができる。
【００２９】
また、前記出力信号切り替え回路によって、前記第２の電圧信号から前記第１の電圧信号に切り替えられた後に、前記第２の電圧信号を出力していた前記第２の増幅回路への電源供給をカットすることを特徴とする。この構成によれば、前記第２の増幅回路を使用しないときの消費電力を抑えることができる。
【００３０】
また、前記振動子の発振開始直後は前記第２の増幅回路に電源電圧を供給せず、前記第１の電圧信号から前記第２の電圧信号に切り替わる際に、前記第２の増幅回路に電源電圧を供給することを特徴とする。この構成によれば、前記第２の増幅回路を使用しないときの消費電力を抑えることが出来る。
【００３１】
また、前記増幅回路は、使用する電源供給回路として、前記第１の電源供給回路と前記第２の電源供給回路とを切り替えることを特徴とする。この構成によれば、単一の増幅回路によって、第１の電圧信号と第２の電圧信号とを出力できる。
【００３２】
また、前記振動子は、水晶振動子であることを特徴とする。この構成によれば、Ｑ値が高いために発振成長が遅い水晶振動子を用いた発振器について、起動時間を短縮することが可能となる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、振動子を安定して駆動するまでの起動時間を有効に短縮した発振回路を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施の形態について図１〜４を用いて説明する。図１は、本発明にかかる発振回路の構成の一例を示すブロック図である。図１に示すように、発振回路は、発振ループ１、制御信号生成ブロック２、および本発明の切り替え信号発生回路である電源切替スイッチ３０、本発明の第１の電源供給回路である第１電源３１と第２の電源供給回路である第２電源３２を備える。第２電源３２は、第１電源３１よりも高い電圧とする。
【００３５】
発振ループ１は、振動子１１、電流電圧変換回路１２、増幅回路１３、および自動利得制御回路１４を備え、振動子１１の共振周波数信号を増幅回路１３、自動利得制御回路１４で増幅することで発振を得る。なお、異常発振を防ぐために、発振ループ１にフィルタを入れてもよい。制御信号生成ブロック２は、第１電源３１と第２電源３２とを切り替えるための信号を生成する。
【００３６】
ここで、増幅回路１３に第１電源３１から電源電圧を供給したときに発生する信号を第１の電圧信号２１ａとし、増幅回路１３に第２電源３２から電源電圧を供給したときに発生する信号を第２の電圧信号２１ｂとする。また、第２の電圧信号２１ｂは、第１の電圧信号２１ａよりも高い電圧信号である。振動子の駆動開始は、まず低い電圧の第１の電圧信号２１ａで駆動し、その後に高い電圧の第２の電圧信号２１ｂに切り替える。この切り替えは、電源切替スイッチ３０によって第１電源３１から第２電源３２へ切り替えることによって行われる。
【００３７】
まず、第１電源３１から第２電源３２への切り替えについて説明する。ここでは、振動子１１は、まず第１の電圧信号２１ａにより励振される。この第１の電圧信号２１ａの振幅が一定値を超えたときを、第１電源３１から第２電源３２への切り替えのタイミングとしている。まず、整流回路２１によって第１の電圧信号２１ａの振幅情報を得て、これと基準電圧Ｖａを比較回路２２で比較する。したがって、基準電圧Ｖａを越えた時点で後述する本発明の監視回路である駆動電圧監視回路２３からの出力信号２０ａが切り替わる。
【００３８】
続いて、この出力信号２０ａが制御信号生成回路２０を経由して電源切替スイッチ３０を制御することで、増幅回路１３の電源電圧を、第１電源３１から第２電源３２に切り替える。
【００３９】
次に、第２電源３２から第１電源３１への切り替えについて説明する。ここでは、振動子１１の駆動電流を電流電圧変換回路１２で電圧に変換した信号２６ａを用いて、切り替えのタイミングを生成する。この信号２６ａは、振動子１１の駆動電流に比例する。この比例係数をＲとする。
【００４０】
信号２６ａの振幅が一定値を超えたときを、発振が充分に成長したと判断し、第２電源３２から第１電源３１への切り替えのタイミングとしている。まず、整流回路２６によっ
て駆動電圧信号２６ａの振幅情報を得て、これと基準電圧Ｖｂを比較回路２７で比較する。
【００４１】
したがって、基準電圧Ｖｂを越えた時点で後述する本発明の監視回路である駆動電流監視回路２８からの出力信号２０ｂが切り替わる。続いて、この信号が制御信号生成回路２０を経由して電源切替スイッチ３０を制御することで、増幅回路１３の電源電圧を、第２電源３２から第１電源３１に切り替える。
【００４２】
次に、電源投入から発振安定までの流れを、図１、４を用いて順を追って説明する。なお、図４の図中の矢印は、波形の変化の因果関係を示している。図４（ａ）を例にとって説明する。第１の電圧信号２１ａの振幅が閾値Ｖａを超えると駆動電圧監視回路２３からの出力信号２０ａが切り替わり、制御信号生成回路２０からの出力信号２０ｃが切り替わる。これにより電源電圧が、電源切替スイッチ３０によって第１電源３１の電源電圧ＶＤＤから第２電源３２の電源電圧ＶＤＤ２に切り替えられる、という流れを示している。
【００４３】
制御信号生成回路２０では、駆動電圧監視回路２３および駆動電流監視回路２８からの信号を基に、電源切替スイッチ３０を制御する出力信号２０ｃを生成する。電源投入直後は、振動子１１はまだほとんど振動しておらず、駆動電圧振幅、駆動電流振幅ともに小さいので、駆動電圧監視回路２３および駆動電流監視回路２８の出力はともにＬレベルである。
【００４４】
これにより制御信号出力回路２０の出力信号２０ｃもＬレベルとなり、電源切替スイッチ３０では第１電源３１が有効となる。したがって、電源投入直後は、電源切替スイッチ３０により増幅回路１３の電源電圧３０ａが、第１電源の電圧となる。
【００４５】
まず、振動子の駆動電圧振幅が成長して基準電圧の閾値Ｖａを越える（図４（ａ））。すると駆動電圧監視回路２３の出力信号２０ａがＨレベルとなり、制御信号生成回路２０の出力信号２０ｃがＨレベルとなる。これにより、電源切替スイッチ３０で第２電源３２が有効となり、振動子１１は、第２の電圧信号２１ｂで励振される。この段階では、振動子１１の駆動電流振幅は未だ成長していないため、駆動電流監視回路２８の出力信号２０ｂはＬレベルのままである。
【００４６】
振動子１１の駆動電流振幅が更に成長し（図４（ｂ））、信号２６ａの振幅が基準電圧の閾値Ｖｂを越えたとき、振動子１１は充分発振している状態とみなす。すると、これ以上発振成長を促進する必要がなくなるため、第１電源３１へ切り替える必要がある。このとき、駆動電流監視回路２８の出力信号２０ｂがＨレベルになり、これにより制御信号生成回路２０の出力信号２０ｃがＬレベルとなる。しがたって、電源切り替えスイッチ３０では第１電源３１が有効となる（図４（ｃ））。
【００４７】
第２電源３２により増幅回路１３を動作させる際には、発振成長をさらに促進するため、第１電源３１により動作させるときよりも、増幅回路１３の利得を上げてもよい。
【００４８】
この後、自動利得制御回路１４が有効になることで、発振ループ１のループゲインを制御し、振動子１１の発振レベルを適正値に安定させる（図４（ｄ））。
【００４９】
自動利得制御を行う場合は、信号２６ａが所望の振幅以上になった状態で、第１の電圧信号２１ａ、第２の電圧信号２１ｂ、信号２６ａのいずれかの振幅情報により、自動利得制御回路１４の利得を制御する。
【００５０】
このとき、増幅回路１３を駆動する電源を第２電源３２から第１電源３１に戻すのと同
時、またはその後に自動利得制御をかけることで、自動利得制御中に電源が切り替わることが無くなり、自動利得制御を安定して行うことができる。また、構成によれば、正弦波発振する発振回路、または、発振振幅を所望の値に設定した発振回路が実現できる。これにより、振動型ジャイロセンサ等の装置への利用が可能となる。
【００５１】
以上から、振動子１１を発振させる際には、まず振動子１１の駆動電圧である第１の電圧信号２１ａが成長し、その後に信号２６ａが成長する。したがって、前述の制御信号生成回路２０を用いることで、増幅回路１３を駆動する電源が、電源投入直後にまず第１電源３１、その後に第２電源３２、そして再び第１電源３１、と順に切り替わる。第２電源３２が増幅回路１３に供給されている期間は、振動子１１により高い電圧を印加することができるため、発振成長が促進され、発振回路としての起動時間が短縮できるという効果がある。
【００５２】
このように、まず低い電圧である第１電源３１によって振動子１１の駆動を開始し、その後に第１電源３１よりも高い電圧の第２電源３２に切り替えて振動子１１を駆動することにより以下の効果がある。
【００５３】
振動子１１が発振を開始する時の発振ループ１の信号経路の発振条件は、発振が安定した定常状態における発振条件と同じであるため、起動回路による発振条件ずれのために発振周波数がずれるのを抑えることが出来る。
【００５４】
たとえば特許文献１に記載の構成のように、発振開始の段階において、定常時と異なる条件の発振回路を使用する場合、電源電圧の違いによる増幅回路１３の利得や位相遅れの変化から、意図しない周波数で発振することがある。この場合、発振が充分に成長した後に電源電圧を定常時の値に変更すると、その時点で発振条件が変化する。
【００５５】
つまり、電源電圧が切り替えられた段階から、それまで発振した周波数と異なる周波数で改めて起動を開始することとなり、起動時間を短縮するという目的を達することができないばかりか、寧ろ起動時間を延ばしてしまう。この現象は、振動子１１として、水晶のようにＱの高いものを使う場合に、より顕著となる。
【００５６】
またこの現象は、振動子１１の発振周波数が高い場合に、より顕著となる。なぜなら、増幅回路は一般に、高周波では利得や位相遅れが不安定になりやすく、特性のばらつきや、電源電圧による特性変化などが大きいからである。
【００５７】
なお、本実施形態では振動子１１の駆動電圧信号である、第１の電圧信号２１ａおよび第２の電圧信号２１ｂ、ないし駆動電流信号２６ａを基に、第１電源３１と、第２電源３２との切り替えを行う形態を示した。第１電源３１から第２電源３２への切り替えの別の形態として、発振の成長する時間が概ね把握されている場合には、タイマを使用し、発振開始からの時間で、第１電源３１から第２電源３２への切り替えを行ってもよい。この構成の場合、比較回路２２が不要となるので、制御信号生成ブロック２の構成が簡単になるという利点がある。
【００５８】
図１では、第１電源３１および第２電源３２として、独立した単一の外部電源を用いているが、それらの代わりに、単一の外部電源から生成した昇圧電圧や単一の外部電源から生成した参照電圧などを組み合わせて用いることもできる。ここで、参照電圧とは、外部の電源電圧から、レギュレータ回路や抵抗分割回路などで生成した、元の外部電源電圧よりも低い、安定した直流電圧のことを指す。
【００５９】
この組み合わせについて、図１以外にとりうる構成を、図２、３として示した。図１は
第１電源３１と第２電源３２を組み合わせた場合を示している。図２は第１電源３１と、昇圧回路３３を用いて第１電源３１から生成した昇圧電圧と、を組み合わせた場合を示している。図３は参照電圧生成回路３４を用いて第２電源３２から生成した参照電圧と、第２電源３２と、を組み合わせた場合を示している。
【００６０】
また、図示していないが、第１電源３１または第２電源３２から生成した参照電圧と第１電源３１または第２電源３２から生成した昇圧電圧をそれぞれに組み合わせて構成してもよい。なお、図２において、図中では第２電源３２を昇圧回路３３に対応させているが、第１電源３１と昇圧回路３３をあわせて第２電源３２としてもよい。
【００６１】
図１に示した、第１電源３１と第２電源３２の場合は、回路構成が単純になるという効果がある。また、図２に示した昇圧電圧を用いる場合は、１つの外部電源のみで起動時間が短縮されるという効果がある。また、図３に示した参照電圧を用いる場合は、１つの外部電源のみで定常状態での消費電力を低減できるという効果がある。
【００６２】
さらに、昇圧回路３３を第２電源として使用する場合、発振開始後、増幅回路１３の電源が昇圧回路３３に切り替えられる前に、昇圧も開始することが望ましい。これにより、発振開始初期の、第２電源が使用されていない間に昇圧を行うことができ、昇圧にかかる待ち時間の影響を低減することができる。
【００６３】
また、発振回路が完全に起動し、発振回路が第１電源３１により動作する状態になったあとは、昇圧回路３３を停止させることが望ましい。これにより、定常状態における消費電流を低減することができる。
【００６４】
（第２の実施形態）
次に、図５、図６（ａ）を用いて、振動子１１を駆動する電源供給回路の切り替えに応じて増幅回路１３の内部回路を切り替える第２の実施形態について説明する。増幅回路１３には、第１電源３１と第２電源３２の両方が接続されている。増幅回路１３は、制御信号生成回路２０からの出力信号２０ｃに応じて、第１の電圧信号２１ａと第２の電圧信号２１ｂのどちらかを選択して出力する機能を有する。
【００６５】
図中では第１電源３１と第２電源３２を増幅回路１３の電源として使用した例を示したが、図１〜３の第１の実施形態で示したように、昇圧回路３３や、参照電圧生成回路３４を用いてもよい。
【００６６】
図６（ａ）に、増幅回路１３の内部構成の一例を示す。増幅回路１３は、第１の電圧信号２１ａを出力するのに使用する第１の増幅回路６１と、第２の電圧信号を出力するのに使用する第２の増幅回路６２と、本発明の出力信号切り替え回路に相当し、出力を切り替えるスイッチ６３とを有する。第１の増幅回路６１は、入力信号を切り替えるスイッチ６４ａと、反転増幅回路６５とを有する。反転増幅回路６５は、第１電源３１より供給される第１の電源電圧６８を電源として動作する。
【００６７】
一方、第２の増幅回路６２は、本発明の入力電圧切り替え回路に相当し、入力信号を切り替えるスイッチ６４ｂと、インバータ６６とを有する。インバータ６６は、第２電源３２より供給される第２の電源電圧６９を電源として動作する。このインバータ６６を構成するデバイスは、第１の電源電圧６８で動作する回路のデバイスよりも耐圧が高く、第２の電源電圧６９に耐えられるものを用いる。この構成では、インバータ６６以外の回路に用いるデバイスの耐圧を高くする必要が無く、回路設計が簡単になりコストダウンにつながる。
【００６８】
インバータ６６の入出力特性を図７に示す。通常、インバータの入出力特性は、図７の破線に示したように論理閾値電圧ＶＴａが電源電圧の中心付近になるように設計されることが多い。しかし、第２の増幅回路６２の前段の回路が第１電源３１で動作している場合、インバータ６６に入力される信号の基準電圧は、第２電源３２で動作する第２の増幅回路６２の基準電圧と異なる。
【００６９】
従って、インバータ６６の論理閾値電圧がＶＴａのように第２の電源電圧６９の中心付近に設定されていると、インバータ６６に入力される信号が論理閾値電圧を跨がず、信号が増幅されない。したがって、通常はインバータの入力信号が論理閾値電圧ＶＴａを跨ぐように直流電圧をシフトさせる、直流バイアス回路が必要となる。
【００７０】
しかし、インバータ６６の入出力特性を、その論理閾値電圧ＶＴｂが第１の電源電圧６８とＧＮＤとの間になるように設計し、インバータに入力される信号が論理閾値電圧を跨ぐようにすることで、直流バイアス回路が不要となり、回路構成を簡単に出来る（図７の実線）。第１の増幅回路６１内の反転増幅回路６５は、第１の増幅回路６１と第２の増幅回路６２との位相を合わせるために使用される。
【００７１】
（第３の実施形態）
図５、図６（ｂ）を用いて、増幅回路１３における内部構成の別の形態である第３の実施形態を説明する。増幅回路１３は、第１の電圧信号２１ａを出力する時に使用する第１の増幅回路６１と、第２の電圧信号２１ｂを出力するときに使用する第２の増幅回路６２と、本発明の出力信号切り替え回路に相当し、出力を切り替えるスイッチ６３とを有する。
【００７２】
第１の増幅回路６１は、配線で構成されている。一方、第２の増幅回路６２は、本発明の入力電圧切り替え回路に相当し、入力信号を切り替えるスイッチ６４ｂと、反転増幅回路６７と、インバータ６６とを有する。
【００７３】
第２の増幅回路６２内の反転増幅回路６７は、第１の増幅回路６１と第２の増幅回路６２との位相を合わせるために使用される。この構成では、図６（ａ）に示した構成よりもスイッチをひとつ減らすことが出来る。
【００７４】
反転増幅回路６７は、第１の電源電圧６８によって動作することが望ましい。これにより、第２の電源電圧６９に対応した素子を使用する部分が、インバータ６６のみになり、異なる耐圧のトランジスタで演算増幅回路を設計する必要がなくなるため、トランジスタへの要求特性がゆるくなり、回路設計が容易になる。また、反転増幅回路６７は、インバータで構成してもよい。この場合、回路構成が簡単になる。
【００７５】
図５、図６（ａ）、図６（ｂ）に示した第２、３の実施形態において、第２の増幅回路６２が使用されないとき、スイッチ６４ｂにより、インバータ６６の入力電位を電源電圧に固定する。これにより、第２の増幅回路６２が非使用の時間において、インバータ６６の貫通電流を抑えることができ、消費電力を低減できる。
【００７６】
また、第２の増幅回路６２が非使用の時間において、インバータ６６の電源を遮断することで、インバータ６６による消費電力を低減することができる。
【００７７】
本発明においては、起動時間を、電源投入から発振が安定するまでの時間とする。自動利得制御回路を持つ発振回路においては、電源投入から、発振が充分に成長し、自動利得制御回路が動作して発振波形が安定するまでの一連の動作に要する時間を、起動時間とする。
【００７８】
以上で述べた振動子１１は、水晶振動子でも良い。水晶振動子はＱが高いため、一度発振してしまえば非常に安定であるが、そのかわり発振の成長が遅い。本発明によれば、水晶振動子の起動時間を効果的に短縮することが可能となる。
【００７９】
なお、上記した実施形態の構成例は一例であり、本発明はこれらの構成例に限定されるものではなく、各種変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明における発振回路は、起動時間への要求の厳しい装置内での動作や、あるいは携帯情報端末などの消費電力低減が要求される装置内での間欠動作に適している。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の第１の実施形態における発振回路のブロック図であり、２つの外部電源を用いる場合のブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における発振回路のブロック図であり、１つの外部電源と、この外部電源から生成した昇圧電圧とを電源として用いる場合のブロック図である。
【図３】本発明の第１の実施形態における発振回路のブロック図であり、１つの外部電源と、この外部電源から生成した参照電圧とを電源として用いる場合のブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施形態における発振の成長過程を示す波形の図である。
【図５】本発明の第２の実施形態における発振回路のブロック図であり、増幅回路の内部回路を切り替える場合のブロック図である。
【図６（ａ）】本発明の第２の実施形態における増幅回路の内部構成を示す図である。
【図６（ｂ）】本発明の第３の実施形態における増幅回路の内部構成を示す図である。
【図７】本発明の実施形態における増幅回路内のインバータの入出力特性を示す図である。
【符号の説明】
【００８２】
１ 発振ループ
２ 制御信号生成ブロック
１１ 振動子
１２ 電流電圧変換回路
１３ 増幅回路
１４ 自動利得制御回路
２０ 制御信号生成回路
２０ａ 駆動電圧監視回路からの出力信号
２０ｂ 駆動電流監視回路からの出力信号
２０ｃ 制御信号生成回路からの出力信号
２１、２６ 整流回路
２１ａ 第１の電圧信号
２１ｂ 第２の電圧信号
２２、２７ 比較回路
２３ 駆動電圧監視回路
２６ａ 駆動電流に比例した信号
２８ 駆動電流監視回路
３０ 電源切替スイッチ
３０ａ 増幅回路１３の電源電圧
３１ 第１電源
３２ 第２電源
３３ 昇圧回路
３４ 参照電圧生成回路
６１ 第１の増幅回路
６２ 第２の増幅回路
６３ 出力切り替えスイッチ
６４ａ、６４ｂ 入力切り替えスイッチ
６５ 反転増幅回路
６６ インバータ
６７ 反転増幅回路
６８ 第１の電源電圧
６９ 第２の電源電圧
Ｖａ、Ｖｂ 基準電圧
【技術分野】
【０００１】
本発明は振動子を有する発振回路に関し、特に発振回路の起動時間の短縮に関する。
【背景技術】
【０００２】
発振回路は、時計、コンピュータ、携帯情報端末等に広く利用されている。また、クロック源として以外にも、たとえば振動型ジャイロセンサなどに用いられる。
【０００３】
振動型ジャイロセンサは、振動子を用いて角速度を検出する物理量センサであり、他の方式に比べて小型化に有利であることから、車載用カーナビゲーションシステムやカメラ等の手振れ検出の用途に用いられており、今後、携帯情報端末や携帯ゲーム機器などへの応用が期待されている。
【０００４】
振動型ジャイロセンサは、振動子を発振させておき、回転時に振動子の脚にかかるコリオリ力を検出することで角速度を測定するものである。このような発振回路を含む装置においては、発振回路の起動時間は、装置の起動時間につながるため、非常に重要である。
【０００５】
また、発振回路を用いた電子機器では一般に消費電力の低減が必要とされており、バッテリーで動作する携帯型の機器については特に重要である。したがって、発振回路を持つ装置が携帯型機器に搭載される場合には、その消費電力を抑えるため、通常は発振を停止させておき、必要なときにだけ起動させるという手法がとられる。このような間欠動作の場合、必要なときにすばやく発振状態になることを要求されるため、発振回路の起動時間短縮が特に重要となる。
【０００６】
間欠動作をさせる発振回路の場合、待機時に振動子を微小振動させておくことで再起動時間を短縮するという方式が存在する。しかしこの方式では、待機時にも電力を消費してしまう。したがって、待機時には振動子を停止させておくことが望ましい。
【０００７】
また、発振回路の起動時間短縮の手段として、特許文献１に示される、昇圧回路を用いた方式が知られている。電源投入後、この発振回路は外部より供給される電源電圧を、電源電圧昇圧手段により昇圧し、この昇圧電圧を発振回路の電源電圧として用いている。そして、一定時間経過後に、電源電圧昇圧手段により昇圧された昇圧電圧より低い通常の電源電圧を発振回路の電源電圧として用いている。これにより、振動子に印加される電界が強くなり、発振の成長を促進するため、起動時間が短縮される。
【０００８】
【特許文献１】特開平５―２５９７３８号公報（第４頁、図８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に記載の発振回路では、電源投入から電源電圧昇圧手段により昇圧された昇圧電圧が安定するまでの間に、発振回路の振動子に全く電界を印加していない一定時間が存在する。これは、昇圧電圧が安定する前に昇圧電圧を振動子に印加してしまうと、昇圧電圧が安定するまでにより多くの時間を必要とするため、あえて昇圧電圧が安定する一定時間の間は振動子を駆動しないようにしている。しかし、このような構成では、昇圧電圧が安定するまでの一定時間は、振動子が全く駆動していないので、起動時間を有効に短縮できないという問題がある。
【００１０】
本発明は、上述した従来技術による問題点を解決するためになされたものであり、起動
時間を有効に短縮できる発振回路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】
【００１１】
上記の課題を解決するために、本発明にかかる発振回路は、振動子と、この振動子を駆動する第１の電圧信号と、この第１の電圧信号よりも高い電圧により前記振動子を駆動する第２の電圧信号と、前記振動子の振幅を増幅するための増幅回路と、を有する発振回路において、前記第１の電圧信号によって前記振動子の駆動を開始し、その後に前記第１の電圧信号から前記第２の電圧信号へ切り替える切り替え信号発生回路を備えることを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、電源投入直後からまず低い電圧の第１の電圧信号によって振動子を駆動し、その後に第１の電圧信号よりも高い電圧の第２の電圧信号に切り替えるので、高い電圧で発振を開始する場合に起こる発振条件の変化を抑制し、安定した状態で発振成長を開始できるため、起動時間を有効に短縮することができる。
【００１３】
また、切り替え信号発生回路は、前記振動子の発振状態を監視する監視回路を有し、この監視回路は、前記振動子の振幅が安定する前の所定の振幅状態に到達したことを検知し、前記切り替え信号発生回路によって前記第１の電圧信号から前記第２の電圧信号へ切り替えることを特徴とする。
【００１４】
この構成によれば、前記振動子の起動するたびに発振の成長の様子が変わっても、最適なタイミングで前記第１の電圧信号から前期第２の電圧信号へ切り替えることが出来る。
【００１５】
また、切り替え信号発生回路は、タイマを有し、前記振動子の発振開始から一定時間を経過したときに、切り替え信号を発生し、前期第１の電圧信号から前記第２の電圧信号へ切り替えることを特徴とする。この構成によれば、切り替え信号発生回路の構成を単純化できる。
【００１６】
また、前記切り替え信号発生回路は監視回路を有し、前記発振状態が所定の振幅状態であることを前記監視回路が判断したとき、前記第２の電圧信号から前記第１の電圧信号へ再度切り替えることを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、発振成長終了後の定常状態において、振動子と増幅回路とを備えた発振ループでの消費電力を抑えることが可能となる。
【００１８】
また、前記振動子と前記増幅回路とを備えた発振ループに自動利得制御回路を有し、前記自動利得制御回路は、前記第２の電源供給回路から前記第１の電源供給回路への切り替えと同時に、または、前記第２の電源供給回路から前記第１の電源供給回路へ切り替えた後に、自動利得制御を行うことを特徴とする。
【００１９】
この構成によれば、正弦波発振する発振回路、または、発振振幅を所望の値に設定した発振回路が実現できる。これにより、振動型ジャイロセンサ等の装置への利用が可能となる。
【００２０】
また、前記第１の電圧信号および前記第２の電圧信号を生成するときに、前記増幅回路に電源電圧を供給する、第１の電源供給回路及び第２の電源供給回路を有し、前記第２の電源供給回路は昇圧回路を備え、この昇圧回路から生成される昇圧電圧は、前記第１の電源供給回路から供給される第１の電源電圧を用いて生成されること特徴とする。
【００２１】
この構成によれば、外部電源が１つ不要となり、単一の電源で動作が可能となる。また
、１つの外部電源のみで起動時間が短縮できる。
【００２２】
また、前記第１の電源供給回路は参照電圧生成回路を備え、前記第２の電源供給回路を用いて、参照電圧を生成することを特徴とする。この構成によれば、１つの外部電源のみで定常状態での消費電力を低減できる。
【００２３】
また、前記増幅回路は、第１の電源供給回路及び第２の電源供給回路から生成されるそれぞれの電源電圧により動作する第１の増幅回路及び第２の増幅回路を備え、前記第１の電圧信号及び前記第２の電圧信号は、それぞれに前記第１の増幅回路及び前記第２の増幅回路から出力されることを特徴とする。
【００２４】
この構成によれば、第１の電圧信号を増幅する増幅回路と、第２の電圧信号を増幅する増幅回路とが分離されるため、それぞれに最適な回路設計や電源制御をすることができ、設計や低消費電力化がしやすくなる。
【００２５】
また、前記第１の増幅回路と前記第２の増幅回路の出力側に、前記第１の電圧信号と前記第２の電圧信号とを切り替える出力信号切り替え回路を備えることを特徴とする。この構成によれば、前記第１の電圧信号と前記第２の電圧信号とを、簡単な回路で切り替えることが出来る。
【００２６】
また、前記第２の増幅回路は、前記第１の増幅回路よりも高耐圧であることを特徴とする。この構成によれば、前記第１の増幅回路と、前記第２の増幅回路のそれぞれについて、扱う電圧の高低に応じて適した回路構成やトランジスタ、抵抗等を使用できるため、前記第１の増幅回路と前記第２の増幅回路の設計の自由度が上がる。
【００２７】
また、前記第２の増幅回路は、インバータを有することを特徴とする。また、前記インバータの論理閾値は、前記第１の電源供給回路から供給される第１の電源電圧とＧＮＤとの間の電圧に設定されていることを特徴とする。この構成によれば、前記第２の増幅回路が簡単に構成でき、さらに前記第２の増幅回路に入力される信号に直流バイアスをかける必要が無くなるため、回路が簡略化できる。
【００２８】
また、前記第２の増幅回路は、前記インバータの入力側に前記インバータの入力電圧を切り替える入力電圧切り替え回路を備え、この入力電圧切り替え回路によって前記入力電圧を固定することができることを特徴とする。この構成によれば、前記第２の増幅回路を使用しない時、前記インバータの入力電圧を固定することで、前記インバータの貫通電流による電力消費を抑えることができる。
【００２９】
また、前記出力信号切り替え回路によって、前記第２の電圧信号から前記第１の電圧信号に切り替えられた後に、前記第２の電圧信号を出力していた前記第２の増幅回路への電源供給をカットすることを特徴とする。この構成によれば、前記第２の増幅回路を使用しないときの消費電力を抑えることができる。
【００３０】
また、前記振動子の発振開始直後は前記第２の増幅回路に電源電圧を供給せず、前記第１の電圧信号から前記第２の電圧信号に切り替わる際に、前記第２の増幅回路に電源電圧を供給することを特徴とする。この構成によれば、前記第２の増幅回路を使用しないときの消費電力を抑えることが出来る。
【００３１】
また、前記増幅回路は、使用する電源供給回路として、前記第１の電源供給回路と前記第２の電源供給回路とを切り替えることを特徴とする。この構成によれば、単一の増幅回路によって、第１の電圧信号と第２の電圧信号とを出力できる。
【００３２】
また、前記振動子は、水晶振動子であることを特徴とする。この構成によれば、Ｑ値が高いために発振成長が遅い水晶振動子を用いた発振器について、起動時間を短縮することが可能となる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、振動子を安定して駆動するまでの起動時間を有効に短縮した発振回路を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施の形態について図１〜４を用いて説明する。図１は、本発明にかかる発振回路の構成の一例を示すブロック図である。図１に示すように、発振回路は、発振ループ１、制御信号生成ブロック２、および本発明の切り替え信号発生回路である電源切替スイッチ３０、本発明の第１の電源供給回路である第１電源３１と第２の電源供給回路である第２電源３２を備える。第２電源３２は、第１電源３１よりも高い電圧とする。
【００３５】
発振ループ１は、振動子１１、電流電圧変換回路１２、増幅回路１３、および自動利得制御回路１４を備え、振動子１１の共振周波数信号を増幅回路１３、自動利得制御回路１４で増幅することで発振を得る。なお、異常発振を防ぐために、発振ループ１にフィルタを入れてもよい。制御信号生成ブロック２は、第１電源３１と第２電源３２とを切り替えるための信号を生成する。
【００３６】
ここで、増幅回路１３に第１電源３１から電源電圧を供給したときに発生する信号を第１の電圧信号２１ａとし、増幅回路１３に第２電源３２から電源電圧を供給したときに発生する信号を第２の電圧信号２１ｂとする。また、第２の電圧信号２１ｂは、第１の電圧信号２１ａよりも高い電圧信号である。振動子の駆動開始は、まず低い電圧の第１の電圧信号２１ａで駆動し、その後に高い電圧の第２の電圧信号２１ｂに切り替える。この切り替えは、電源切替スイッチ３０によって第１電源３１から第２電源３２へ切り替えることによって行われる。
【００３７】
まず、第１電源３１から第２電源３２への切り替えについて説明する。ここでは、振動子１１は、まず第１の電圧信号２１ａにより励振される。この第１の電圧信号２１ａの振幅が一定値を超えたときを、第１電源３１から第２電源３２への切り替えのタイミングとしている。まず、整流回路２１によって第１の電圧信号２１ａの振幅情報を得て、これと基準電圧Ｖａを比較回路２２で比較する。したがって、基準電圧Ｖａを越えた時点で後述する本発明の監視回路である駆動電圧監視回路２３からの出力信号２０ａが切り替わる。
【００３８】
続いて、この出力信号２０ａが制御信号生成回路２０を経由して電源切替スイッチ３０を制御することで、増幅回路１３の電源電圧を、第１電源３１から第２電源３２に切り替える。
【００３９】
次に、第２電源３２から第１電源３１への切り替えについて説明する。ここでは、振動子１１の駆動電流を電流電圧変換回路１２で電圧に変換した信号２６ａを用いて、切り替えのタイミングを生成する。この信号２６ａは、振動子１１の駆動電流に比例する。この比例係数をＲとする。
【００４０】
信号２６ａの振幅が一定値を超えたときを、発振が充分に成長したと判断し、第２電源３２から第１電源３１への切り替えのタイミングとしている。まず、整流回路２６によっ
て駆動電圧信号２６ａの振幅情報を得て、これと基準電圧Ｖｂを比較回路２７で比較する。
【００４１】
したがって、基準電圧Ｖｂを越えた時点で後述する本発明の監視回路である駆動電流監視回路２８からの出力信号２０ｂが切り替わる。続いて、この信号が制御信号生成回路２０を経由して電源切替スイッチ３０を制御することで、増幅回路１３の電源電圧を、第２電源３２から第１電源３１に切り替える。
【００４２】
次に、電源投入から発振安定までの流れを、図１、４を用いて順を追って説明する。なお、図４の図中の矢印は、波形の変化の因果関係を示している。図４（ａ）を例にとって説明する。第１の電圧信号２１ａの振幅が閾値Ｖａを超えると駆動電圧監視回路２３からの出力信号２０ａが切り替わり、制御信号生成回路２０からの出力信号２０ｃが切り替わる。これにより電源電圧が、電源切替スイッチ３０によって第１電源３１の電源電圧ＶＤＤから第２電源３２の電源電圧ＶＤＤ２に切り替えられる、という流れを示している。
【００４３】
制御信号生成回路２０では、駆動電圧監視回路２３および駆動電流監視回路２８からの信号を基に、電源切替スイッチ３０を制御する出力信号２０ｃを生成する。電源投入直後は、振動子１１はまだほとんど振動しておらず、駆動電圧振幅、駆動電流振幅ともに小さいので、駆動電圧監視回路２３および駆動電流監視回路２８の出力はともにＬレベルである。
【００４４】
これにより制御信号出力回路２０の出力信号２０ｃもＬレベルとなり、電源切替スイッチ３０では第１電源３１が有効となる。したがって、電源投入直後は、電源切替スイッチ３０により増幅回路１３の電源電圧３０ａが、第１電源の電圧となる。
【００４５】
まず、振動子の駆動電圧振幅が成長して基準電圧の閾値Ｖａを越える（図４（ａ））。すると駆動電圧監視回路２３の出力信号２０ａがＨレベルとなり、制御信号生成回路２０の出力信号２０ｃがＨレベルとなる。これにより、電源切替スイッチ３０で第２電源３２が有効となり、振動子１１は、第２の電圧信号２１ｂで励振される。この段階では、振動子１１の駆動電流振幅は未だ成長していないため、駆動電流監視回路２８の出力信号２０ｂはＬレベルのままである。
【００４６】
振動子１１の駆動電流振幅が更に成長し（図４（ｂ））、信号２６ａの振幅が基準電圧の閾値Ｖｂを越えたとき、振動子１１は充分発振している状態とみなす。すると、これ以上発振成長を促進する必要がなくなるため、第１電源３１へ切り替える必要がある。このとき、駆動電流監視回路２８の出力信号２０ｂがＨレベルになり、これにより制御信号生成回路２０の出力信号２０ｃがＬレベルとなる。しがたって、電源切り替えスイッチ３０では第１電源３１が有効となる（図４（ｃ））。
【００４７】
第２電源３２により増幅回路１３を動作させる際には、発振成長をさらに促進するため、第１電源３１により動作させるときよりも、増幅回路１３の利得を上げてもよい。
【００４８】
この後、自動利得制御回路１４が有効になることで、発振ループ１のループゲインを制御し、振動子１１の発振レベルを適正値に安定させる（図４（ｄ））。
【００４９】
自動利得制御を行う場合は、信号２６ａが所望の振幅以上になった状態で、第１の電圧信号２１ａ、第２の電圧信号２１ｂ、信号２６ａのいずれかの振幅情報により、自動利得制御回路１４の利得を制御する。
【００５０】
このとき、増幅回路１３を駆動する電源を第２電源３２から第１電源３１に戻すのと同
時、またはその後に自動利得制御をかけることで、自動利得制御中に電源が切り替わることが無くなり、自動利得制御を安定して行うことができる。また、構成によれば、正弦波発振する発振回路、または、発振振幅を所望の値に設定した発振回路が実現できる。これにより、振動型ジャイロセンサ等の装置への利用が可能となる。
【００５１】
以上から、振動子１１を発振させる際には、まず振動子１１の駆動電圧である第１の電圧信号２１ａが成長し、その後に信号２６ａが成長する。したがって、前述の制御信号生成回路２０を用いることで、増幅回路１３を駆動する電源が、電源投入直後にまず第１電源３１、その後に第２電源３２、そして再び第１電源３１、と順に切り替わる。第２電源３２が増幅回路１３に供給されている期間は、振動子１１により高い電圧を印加することができるため、発振成長が促進され、発振回路としての起動時間が短縮できるという効果がある。
【００５２】
このように、まず低い電圧である第１電源３１によって振動子１１の駆動を開始し、その後に第１電源３１よりも高い電圧の第２電源３２に切り替えて振動子１１を駆動することにより以下の効果がある。
【００５３】
振動子１１が発振を開始する時の発振ループ１の信号経路の発振条件は、発振が安定した定常状態における発振条件と同じであるため、起動回路による発振条件ずれのために発振周波数がずれるのを抑えることが出来る。
【００５４】
たとえば特許文献１に記載の構成のように、発振開始の段階において、定常時と異なる条件の発振回路を使用する場合、電源電圧の違いによる増幅回路１３の利得や位相遅れの変化から、意図しない周波数で発振することがある。この場合、発振が充分に成長した後に電源電圧を定常時の値に変更すると、その時点で発振条件が変化する。
【００５５】
つまり、電源電圧が切り替えられた段階から、それまで発振した周波数と異なる周波数で改めて起動を開始することとなり、起動時間を短縮するという目的を達することができないばかりか、寧ろ起動時間を延ばしてしまう。この現象は、振動子１１として、水晶のようにＱの高いものを使う場合に、より顕著となる。
【００５６】
またこの現象は、振動子１１の発振周波数が高い場合に、より顕著となる。なぜなら、増幅回路は一般に、高周波では利得や位相遅れが不安定になりやすく、特性のばらつきや、電源電圧による特性変化などが大きいからである。
【００５７】
なお、本実施形態では振動子１１の駆動電圧信号である、第１の電圧信号２１ａおよび第２の電圧信号２１ｂ、ないし駆動電流信号２６ａを基に、第１電源３１と、第２電源３２との切り替えを行う形態を示した。第１電源３１から第２電源３２への切り替えの別の形態として、発振の成長する時間が概ね把握されている場合には、タイマを使用し、発振開始からの時間で、第１電源３１から第２電源３２への切り替えを行ってもよい。この構成の場合、比較回路２２が不要となるので、制御信号生成ブロック２の構成が簡単になるという利点がある。
【００５８】
図１では、第１電源３１および第２電源３２として、独立した単一の外部電源を用いているが、それらの代わりに、単一の外部電源から生成した昇圧電圧や単一の外部電源から生成した参照電圧などを組み合わせて用いることもできる。ここで、参照電圧とは、外部の電源電圧から、レギュレータ回路や抵抗分割回路などで生成した、元の外部電源電圧よりも低い、安定した直流電圧のことを指す。
【００５９】
この組み合わせについて、図１以外にとりうる構成を、図２、３として示した。図１は
第１電源３１と第２電源３２を組み合わせた場合を示している。図２は第１電源３１と、昇圧回路３３を用いて第１電源３１から生成した昇圧電圧と、を組み合わせた場合を示している。図３は参照電圧生成回路３４を用いて第２電源３２から生成した参照電圧と、第２電源３２と、を組み合わせた場合を示している。
【００６０】
また、図示していないが、第１電源３１または第２電源３２から生成した参照電圧と第１電源３１または第２電源３２から生成した昇圧電圧をそれぞれに組み合わせて構成してもよい。なお、図２において、図中では第２電源３２を昇圧回路３３に対応させているが、第１電源３１と昇圧回路３３をあわせて第２電源３２としてもよい。
【００６１】
図１に示した、第１電源３１と第２電源３２の場合は、回路構成が単純になるという効果がある。また、図２に示した昇圧電圧を用いる場合は、１つの外部電源のみで起動時間が短縮されるという効果がある。また、図３に示した参照電圧を用いる場合は、１つの外部電源のみで定常状態での消費電力を低減できるという効果がある。
【００６２】
さらに、昇圧回路３３を第２電源として使用する場合、発振開始後、増幅回路１３の電源が昇圧回路３３に切り替えられる前に、昇圧も開始することが望ましい。これにより、発振開始初期の、第２電源が使用されていない間に昇圧を行うことができ、昇圧にかかる待ち時間の影響を低減することができる。
【００６３】
また、発振回路が完全に起動し、発振回路が第１電源３１により動作する状態になったあとは、昇圧回路３３を停止させることが望ましい。これにより、定常状態における消費電流を低減することができる。
【００６４】
（第２の実施形態）
次に、図５、図６（ａ）を用いて、振動子１１を駆動する電源供給回路の切り替えに応じて増幅回路１３の内部回路を切り替える第２の実施形態について説明する。増幅回路１３には、第１電源３１と第２電源３２の両方が接続されている。増幅回路１３は、制御信号生成回路２０からの出力信号２０ｃに応じて、第１の電圧信号２１ａと第２の電圧信号２１ｂのどちらかを選択して出力する機能を有する。
【００６５】
図中では第１電源３１と第２電源３２を増幅回路１３の電源として使用した例を示したが、図１〜３の第１の実施形態で示したように、昇圧回路３３や、参照電圧生成回路３４を用いてもよい。
【００６６】
図６（ａ）に、増幅回路１３の内部構成の一例を示す。増幅回路１３は、第１の電圧信号２１ａを出力するのに使用する第１の増幅回路６１と、第２の電圧信号を出力するのに使用する第２の増幅回路６２と、本発明の出力信号切り替え回路に相当し、出力を切り替えるスイッチ６３とを有する。第１の増幅回路６１は、入力信号を切り替えるスイッチ６４ａと、反転増幅回路６５とを有する。反転増幅回路６５は、第１電源３１より供給される第１の電源電圧６８を電源として動作する。
【００６７】
一方、第２の増幅回路６２は、本発明の入力電圧切り替え回路に相当し、入力信号を切り替えるスイッチ６４ｂと、インバータ６６とを有する。インバータ６６は、第２電源３２より供給される第２の電源電圧６９を電源として動作する。このインバータ６６を構成するデバイスは、第１の電源電圧６８で動作する回路のデバイスよりも耐圧が高く、第２の電源電圧６９に耐えられるものを用いる。この構成では、インバータ６６以外の回路に用いるデバイスの耐圧を高くする必要が無く、回路設計が簡単になりコストダウンにつながる。
【００６８】
インバータ６６の入出力特性を図７に示す。通常、インバータの入出力特性は、図７の破線に示したように論理閾値電圧ＶＴａが電源電圧の中心付近になるように設計されることが多い。しかし、第２の増幅回路６２の前段の回路が第１電源３１で動作している場合、インバータ６６に入力される信号の基準電圧は、第２電源３２で動作する第２の増幅回路６２の基準電圧と異なる。
【００６９】
従って、インバータ６６の論理閾値電圧がＶＴａのように第２の電源電圧６９の中心付近に設定されていると、インバータ６６に入力される信号が論理閾値電圧を跨がず、信号が増幅されない。したがって、通常はインバータの入力信号が論理閾値電圧ＶＴａを跨ぐように直流電圧をシフトさせる、直流バイアス回路が必要となる。
【００７０】
しかし、インバータ６６の入出力特性を、その論理閾値電圧ＶＴｂが第１の電源電圧６８とＧＮＤとの間になるように設計し、インバータに入力される信号が論理閾値電圧を跨ぐようにすることで、直流バイアス回路が不要となり、回路構成を簡単に出来る（図７の実線）。第１の増幅回路６１内の反転増幅回路６５は、第１の増幅回路６１と第２の増幅回路６２との位相を合わせるために使用される。
【００７１】
（第３の実施形態）
図５、図６（ｂ）を用いて、増幅回路１３における内部構成の別の形態である第３の実施形態を説明する。増幅回路１３は、第１の電圧信号２１ａを出力する時に使用する第１の増幅回路６１と、第２の電圧信号２１ｂを出力するときに使用する第２の増幅回路６２と、本発明の出力信号切り替え回路に相当し、出力を切り替えるスイッチ６３とを有する。
【００７２】
第１の増幅回路６１は、配線で構成されている。一方、第２の増幅回路６２は、本発明の入力電圧切り替え回路に相当し、入力信号を切り替えるスイッチ６４ｂと、反転増幅回路６７と、インバータ６６とを有する。
【００７３】
第２の増幅回路６２内の反転増幅回路６７は、第１の増幅回路６１と第２の増幅回路６２との位相を合わせるために使用される。この構成では、図６（ａ）に示した構成よりもスイッチをひとつ減らすことが出来る。
【００７４】
反転増幅回路６７は、第１の電源電圧６８によって動作することが望ましい。これにより、第２の電源電圧６９に対応した素子を使用する部分が、インバータ６６のみになり、異なる耐圧のトランジスタで演算増幅回路を設計する必要がなくなるため、トランジスタへの要求特性がゆるくなり、回路設計が容易になる。また、反転増幅回路６７は、インバータで構成してもよい。この場合、回路構成が簡単になる。
【００７５】
図５、図６（ａ）、図６（ｂ）に示した第２、３の実施形態において、第２の増幅回路６２が使用されないとき、スイッチ６４ｂにより、インバータ６６の入力電位を電源電圧に固定する。これにより、第２の増幅回路６２が非使用の時間において、インバータ６６の貫通電流を抑えることができ、消費電力を低減できる。
【００７６】
また、第２の増幅回路６２が非使用の時間において、インバータ６６の電源を遮断することで、インバータ６６による消費電力を低減することができる。
【００７７】
本発明においては、起動時間を、電源投入から発振が安定するまでの時間とする。自動利得制御回路を持つ発振回路においては、電源投入から、発振が充分に成長し、自動利得制御回路が動作して発振波形が安定するまでの一連の動作に要する時間を、起動時間とする。
【００７８】
以上で述べた振動子１１は、水晶振動子でも良い。水晶振動子はＱが高いため、一度発振してしまえば非常に安定であるが、そのかわり発振の成長が遅い。本発明によれば、水晶振動子の起動時間を効果的に短縮することが可能となる。
【００７９】
なお、上記した実施形態の構成例は一例であり、本発明はこれらの構成例に限定されるものではなく、各種変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明における発振回路は、起動時間への要求の厳しい装置内での動作や、あるいは携帯情報端末などの消費電力低減が要求される装置内での間欠動作に適している。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の第１の実施形態における発振回路のブロック図であり、２つの外部電源を用いる場合のブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における発振回路のブロック図であり、１つの外部電源と、この外部電源から生成した昇圧電圧とを電源として用いる場合のブロック図である。
【図３】本発明の第１の実施形態における発振回路のブロック図であり、１つの外部電源と、この外部電源から生成した参照電圧とを電源として用いる場合のブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施形態における発振の成長過程を示す波形の図である。
【図５】本発明の第２の実施形態における発振回路のブロック図であり、増幅回路の内部回路を切り替える場合のブロック図である。
【図６（ａ）】本発明の第２の実施形態における増幅回路の内部構成を示す図である。
【図６（ｂ）】本発明の第３の実施形態における増幅回路の内部構成を示す図である。
【図７】本発明の実施形態における増幅回路内のインバータの入出力特性を示す図である。
【符号の説明】
【００８２】
１ 発振ループ
２ 制御信号生成ブロック
１１ 振動子
１２ 電流電圧変換回路
１３ 増幅回路
１４ 自動利得制御回路
２０ 制御信号生成回路
２０ａ 駆動電圧監視回路からの出力信号
２０ｂ 駆動電流監視回路からの出力信号
２０ｃ 制御信号生成回路からの出力信号
２１、２６ 整流回路
２１ａ 第１の電圧信号
２１ｂ 第２の電圧信号
２２、２７ 比較回路
２３ 駆動電圧監視回路
２６ａ 駆動電流に比例した信号
２８ 駆動電流監視回路
３０ 電源切替スイッチ
３０ａ 増幅回路１３の電源電圧
３１ 第１電源
３２ 第２電源
３３ 昇圧回路
３４ 参照電圧生成回路
６１ 第１の増幅回路
６２ 第２の増幅回路
６３ 出力切り替えスイッチ
６４ａ、６４ｂ 入力切り替えスイッチ
６５ 反転増幅回路
６６ インバータ
６７ 反転増幅回路
６８ 第１の電源電圧
６９ 第２の電源電圧
Ｖａ、Ｖｂ 基準電圧
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動子と、この振動子を駆動する第１の電圧信号と、この第１の電圧信号よりも高い電圧により前記振動子を駆動する第２の電圧信号と、前記振動子の振幅を増幅するための増幅回路と、を有する発振回路において、
前記第１の電圧信号によって前記振動子の駆動を開始し、その後に前記第１の電圧信号から前記第２の電圧信号へ切り替える切り替え信号を発生する切り替え信号発生回路を備えることを特徴とする発振回路。
【請求項２】
前記切り替え信号発生回路は、前記振動子の発振状態を監視する監視回路を有し、
この監視回路は、前記振動子の振幅が安定する前の所定の振幅状態に到達したことを検知し、前記切り替え信号発生回路によって前記第１の電圧信号から前記第２の電圧信号へ切り替えることを特徴とする請求項１に記載の発振回路。
【請求項３】
前記切り替え信号発生回路は、タイマを有し、
前記振動子の発振開始から一定時間を経過したときに、切り替え信号を発生し、前記第１の電圧信号から前記第２の電圧信号へ切り替えることを特徴とする請求項１に記載の発振回路。
【請求項４】
前記切り替え信号発生回路は、前記振動子の発振状態を監視する監視回路を有し、
この監視回路は、前記発振状態の振幅が所定の状態であることを判断したとき、前記切り替え信号発生回路によって前記第２の電圧信号から前記第１の電圧信号へ再度切り替えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の発振回路。
【請求項５】
前記振動子と前記増幅回路とを備えた発振ループに自動利得制御回路を有し、この自動利得制御回路は、前記第２の電圧信号から前記第１の電圧信号への切り替えと同時に、または、前記第２の電圧信号から前記第１の電圧信号へ切り替えた後に、自動利得制御を行うことを特徴とする請求項４に記載の発振回路。
【請求項６】
前記第１の電圧信号及び前記第２の電圧信号を生成するときに、前記増幅回路に電源電圧を供給する第１の電源供給回路及び第２の電源供給回路を有し、
前記第２の電源供給回路は昇圧回路を備え
この昇圧回路から生成される昇圧電圧は、前記第１の電源供給回路から供給される第１の電源電圧を用いて生成されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の発振回路。
【請求項７】
前記昇圧回路は、前記第２の電圧信号が使用される前に昇圧を開始することを特徴とする請求項６に記載の発振回路。
【請求項８】
前記昇圧回路は、前記第２の電圧信号から前記第１の電圧信号へ切り替えられた後に昇圧を止めることを特徴とする請求項６または７に記載の発振回路。
【請求項９】
前記第１の電圧信号及び前記第２の電圧信号を生成するときに、前記増幅回路に電源電圧を供給する第１の電源供給回路及び第２の電源供給回路を有し、
前記第１の電源供給回路は参照電圧生成回路を備え、
この参照電圧生成回路から生成される参照電圧は、前記第２の電源供給回路から供給される第２の電源電圧を用いて生成されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の発振回路。
【請求項１０】
前記増幅回路は、第１の電源供給回路及び第２の電源供給回路から生成されるそれぞれ
の電源電圧により動作する第１の増幅回路及び第２の増幅回路を備え、
前記第１の電圧信号及び前記第２の電圧信号は、それぞれに前記第１の増幅回路及び前記第２の増幅回路から出力されることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の発振回路。
【請求項１１】
前記第１の増幅回路と前記第２の増幅回路の出力側に、前記第１の電圧信号と前記第２の電圧信号とを切り替える出力信号切り替え回路を備えることを特徴とする請求項１０に記載の発振回路。
【請求項１２】
前記第２の増幅回路は、前記第１の増幅回路よりも高耐圧であることを特徴とする請求項１０または１１に記載の発振回路。
【請求項１３】
前記第２の増幅回路は、インバータを有することを特徴とする請求項１０から１２のいずれか一項に記載の発振回路。
【請求項１４】
前記インバータの論理閾値は、前記第１の電源供給回路から供給される第１の電源電圧とＧＮＤとの間の電圧に設定されていることを特徴とする請求項１３に記載の発振回路。
【請求項１５】
前記第２の増幅回路は、前記インバータの入力側に前記インバータの入力電圧を切り替える入力電圧切り替え回路を備え、この入力電圧切り替え回路によって前記入力電圧を固定することができることを特徴とする請求項１３または１４に記載の発振回路。
【請求項１６】
前記出力信号切り替え回路によって、前記第２の電圧信号から前記第１の電圧信号に切り替えられた後に、前記第２の電圧信号を出力していた前記第２の増幅回路への電源供給をカットすることを特徴とする請求項１１から１５のいずれか一項に記載の発振回路。
【請求項１７】
前記振動子の発振開始直後は前記第２の増幅回路に電源電圧を供給せず、前記第１の電圧信号から前記第２の電圧信号に切り替わる際に、前記第２の増幅回路に電源電圧を供給することを特徴とする請求項１０から１６のいずれか一項に記載の発振回路。
【請求項１８】
前記第１の電圧信号及び前記第２の電圧信号を生成するときに、前記増幅回路に電源電圧を供給する第１の電源供給回路及び第２の電源供給回路を備え、
前記切り替え信号発生回路によって、前記第１の電源供給回路と前記第２の電源供給回路とを切り替えることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の発振回路。
【請求項１９】
前記振動子は、水晶振動子であることを特徴とする請求項１から１８のいずれか一項に記載の発振回路。
【請求項１】
振動子と、この振動子を駆動する第１の電圧信号と、この第１の電圧信号よりも高い電圧により前記振動子を駆動する第２の電圧信号と、前記振動子の振幅を増幅するための増幅回路と、を有する発振回路において、
前記第１の電圧信号によって前記振動子の駆動を開始し、その後に前記第１の電圧信号から前記第２の電圧信号へ切り替える切り替え信号を発生する切り替え信号発生回路を備えることを特徴とする発振回路。
【請求項２】
前記切り替え信号発生回路は、前記振動子の発振状態を監視する監視回路を有し、
この監視回路は、前記振動子の振幅が安定する前の所定の振幅状態に到達したことを検知し、前記切り替え信号発生回路によって前記第１の電圧信号から前記第２の電圧信号へ切り替えることを特徴とする請求項１に記載の発振回路。
【請求項３】
前記切り替え信号発生回路は、タイマを有し、
前記振動子の発振開始から一定時間を経過したときに、切り替え信号を発生し、前記第１の電圧信号から前記第２の電圧信号へ切り替えることを特徴とする請求項１に記載の発振回路。
【請求項４】
前記切り替え信号発生回路は、前記振動子の発振状態を監視する監視回路を有し、
この監視回路は、前記発振状態の振幅が所定の状態であることを判断したとき、前記切り替え信号発生回路によって前記第２の電圧信号から前記第１の電圧信号へ再度切り替えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の発振回路。
【請求項５】
前記振動子と前記増幅回路とを備えた発振ループに自動利得制御回路を有し、この自動利得制御回路は、前記第２の電圧信号から前記第１の電圧信号への切り替えと同時に、または、前記第２の電圧信号から前記第１の電圧信号へ切り替えた後に、自動利得制御を行うことを特徴とする請求項４に記載の発振回路。
【請求項６】
前記第１の電圧信号及び前記第２の電圧信号を生成するときに、前記増幅回路に電源電圧を供給する第１の電源供給回路及び第２の電源供給回路を有し、
前記第２の電源供給回路は昇圧回路を備え
この昇圧回路から生成される昇圧電圧は、前記第１の電源供給回路から供給される第１の電源電圧を用いて生成されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の発振回路。
【請求項７】
前記昇圧回路は、前記第２の電圧信号が使用される前に昇圧を開始することを特徴とする請求項６に記載の発振回路。
【請求項８】
前記昇圧回路は、前記第２の電圧信号から前記第１の電圧信号へ切り替えられた後に昇圧を止めることを特徴とする請求項６または７に記載の発振回路。
【請求項９】
前記第１の電圧信号及び前記第２の電圧信号を生成するときに、前記増幅回路に電源電圧を供給する第１の電源供給回路及び第２の電源供給回路を有し、
前記第１の電源供給回路は参照電圧生成回路を備え、
この参照電圧生成回路から生成される参照電圧は、前記第２の電源供給回路から供給される第２の電源電圧を用いて生成されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の発振回路。
【請求項１０】
前記増幅回路は、第１の電源供給回路及び第２の電源供給回路から生成されるそれぞれ
の電源電圧により動作する第１の増幅回路及び第２の増幅回路を備え、
前記第１の電圧信号及び前記第２の電圧信号は、それぞれに前記第１の増幅回路及び前記第２の増幅回路から出力されることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の発振回路。
【請求項１１】
前記第１の増幅回路と前記第２の増幅回路の出力側に、前記第１の電圧信号と前記第２の電圧信号とを切り替える出力信号切り替え回路を備えることを特徴とする請求項１０に記載の発振回路。
【請求項１２】
前記第２の増幅回路は、前記第１の増幅回路よりも高耐圧であることを特徴とする請求項１０または１１に記載の発振回路。
【請求項１３】
前記第２の増幅回路は、インバータを有することを特徴とする請求項１０から１２のいずれか一項に記載の発振回路。
【請求項１４】
前記インバータの論理閾値は、前記第１の電源供給回路から供給される第１の電源電圧とＧＮＤとの間の電圧に設定されていることを特徴とする請求項１３に記載の発振回路。
【請求項１５】
前記第２の増幅回路は、前記インバータの入力側に前記インバータの入力電圧を切り替える入力電圧切り替え回路を備え、この入力電圧切り替え回路によって前記入力電圧を固定することができることを特徴とする請求項１３または１４に記載の発振回路。
【請求項１６】
前記出力信号切り替え回路によって、前記第２の電圧信号から前記第１の電圧信号に切り替えられた後に、前記第２の電圧信号を出力していた前記第２の増幅回路への電源供給をカットすることを特徴とする請求項１１から１５のいずれか一項に記載の発振回路。
【請求項１７】
前記振動子の発振開始直後は前記第２の増幅回路に電源電圧を供給せず、前記第１の電圧信号から前記第２の電圧信号に切り替わる際に、前記第２の増幅回路に電源電圧を供給することを特徴とする請求項１０から１６のいずれか一項に記載の発振回路。
【請求項１８】
前記第１の電圧信号及び前記第２の電圧信号を生成するときに、前記増幅回路に電源電圧を供給する第１の電源供給回路及び第２の電源供給回路を備え、
前記切り替え信号発生回路によって、前記第１の電源供給回路と前記第２の電源供給回路とを切り替えることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の発振回路。
【請求項１９】
前記振動子は、水晶振動子であることを特徴とする請求項１から１８のいずれか一項に記載の発振回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６（ａ）】
【図６（ｂ）】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６（ａ）】
【図６（ｂ）】
【図７】
【公開番号】特開２００８−９９２５７（Ｐ２００８−９９２５７Ａ）
【公開日】平成２０年４月２４日（２００８．４．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２２９８７５（Ｐ２００７−２２９８７５）
【出願日】平成１９年９月５日（２００７．９．５）
【出願人】（０００００１９６０）シチズンホールディングス株式会社 (1,939)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年４月２４日（２００８．４．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月５日（２００７．９．５）
【出願人】（０００００１９６０）シチズンホールディングス株式会社 (1,939)
【Ｆターム（参考）】
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