(57)【要約】  本発明は、電圧制御発振器（ＶＣＯ）に関し、高温センサ送受信機でのＶＣＯの使用に関する。このＶＣＯは、電圧入力と、その電圧入力に応じた発振周波数とを有する。このＶＣＯは、持続発振を可能にする利得をもたらすトランジスタを含む。このトランジスタはまた、入力電圧に応じて変化する容量を有する。高温センサには、センサ出力信号を無線送信するためにＶＣＯに動作可能に結合された高温センサを含む。【選択図】図１
2009545195.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧入力と、前記電圧入力に応じた発振周波数とを有する高温電圧制御発振器（ＨＴＶＣＯ）であって、印加された入力電圧に応じて容量が変化するトランジスタを備え、約２００℃より高い温度で動作する高温電圧制御発振器。
【請求項２】
前記トランジスタが、持続発振を可能にする利得をもたらす、請求項１に記載の高温電圧制御発振器。
【請求項３】
電圧入力と、前記電圧入力に応じた発振周波数とを有する高温電圧制御発振器（ＨＴＶＣＯ）であって、ゲートに印加された入力電圧に応じて容量が変化するトランジスタを備えた高温電圧制御発振器。
【請求項４】
８５℃より高い温度で動作する、請求項３に記載の高温電圧制御発振器。
【請求項５】
前記トランジスタが電界効果トランジスタである、請求項１から４のいずれかに記載の高温電圧制御発振器。
【請求項６】
請求項５に記載の高温電圧制御発振器を設計する方法において、
前記高温電圧制御発振器内の前記電界効果トランジスタに対する分極電圧を選択して、より適切な可変容量を生じさせるステップを含む方法。
【請求項７】
請求項１から５のいずれか一項に記載の高温電圧制御発振器と、
センサ出力信号を無線送信するために前記発振器に動作可能に結合された高温センサと、
を備える高温センサ送受信機。
【請求項８】
請求項７に記載のセンサ送受信機を組み込んだガスタービンエンジン。
【請求項９】
電圧入力と、前記電圧入力に応じた発振周波数とを有する電圧制御発振器（ＶＣＯ）であって、持続発振を可能にする利得をもたらし、かつ、前記発振周波数を制御する可変キャパシタとして動作するトランジスタを備えた電圧制御発振器。
【請求項１０】
前記電圧入力が、前記トランジスタのゲートで受信される、請求項９に記載の電圧制御発振器。
【請求項１１】
基本発振周波数を制御するためのインダクタンスをさらに備える、請求項１０に記載の電圧制御発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧制御発振器に関し、より正確には、電圧制御発振器回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
電圧制御発振器（ＶＣＯ）は通常、回路の一部として可変キャパシタ（バラクタ）を用いる。ＶＣＯ内にこのような構成部品があると、たとえば高温動作環境において、あるいはより簡単なまたはより低コストの回路設計が望ましい場合において、回路設計が難しくなるおそれがある。
【０００３】
現在、センサネットワークは、多くの目的のためにさまざまな産業において用いられ、その中には、サーベイランスおよび状態監視がある。サーベイランスは、国家安全保障用に、領域監視、および目標検出／類別を行うために広く用いられる。状態監視が用いられる分野の例としては、機械、動物、車両、病状、および環境変化の監視がある。たとえばスマートビルディングは、周囲温度などのパラメータに対して動作するセンサネットワークを用いて設計される。有線センサネットワークは、サーベイランスまたは動的な環境の場合などのいくつかの応用分野では、配線またはケーブルの使用が非実用的であるために限定的なものとなる。さらに一部の応用分野では、通信ケーブル布線のコストが、かなりのものとなり得る。無線センサネットワーク（ＷＳＮ）は、測定値の無線通信を可能にする無線送受信機を追加することによってこれらの制限を克服する。しかし、無線通信は、有線通信よりも電波伝搬および干渉などの環境上の制約を受けやすい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
無線センサネットワーク内に配置される要素は、３つの部分、すなわちセンサまたはアクチュエータ、電源、および無線送受信機からなる。現在用いられている無線センサネットワークは、温度が通常の電子回路の最大動作温度より低い（＜１２５℃）環境で動作するので、耐環境性ではない。過酷な環境で動作するための耐環境性センサネットワークを設計することは、依然として技術的な挑戦を要する。耐環境性無線送受信機を設計するための条件を満たす電子部品がないことが、過酷な環境での無線センサネットワークの配備を妨げてきた。
【０００５】
したがって、現在の発振器のいくつかの問題を克服できる電圧制御発振器が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、トランジスタの可変容量特性を利用する電圧制御発振器を提供する。
第１の態様では、本発明は、電圧入力と、その電圧入力に応じた発振周波数とを有する電圧制御発振器（ＶＣＯ）に関する。このＶＣＯは、トランジスタを含み、そのトランジスタは、持続発振を可能する利得をもたらし、入力電圧に応じて変化する容量を有する。
【０００７】
別の態様では、本発明は、電圧入力と、その電圧入力に応じた発振周波数とを有する高温電圧制御発振器（ＨＴＶＣＯ）に関する。このＨＴＶＣＯは、トランジスタを含み、そのトランジスタは、そのトランジスタに印加された入力電圧に応じて変化する容量を有する。
【０００８】
さらに別の態様では、本発明は、ＨＴＶＣＯと、高温センサであって、該センサの出力信号を無線送信するためにＨＴＶＣＯに動作可能に結合されたセンサとを含む高温センサ送受信機に関する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】耐環境性センサ送受信機の利用の場面を示す図である。
【図２】例示の３７ＭＨｚＶＣＯの概略図である。
【図３】例示のＨＴＶＣＯの概略図である。
【図４】試作品の周波数対入力電圧（Ｖｇ）および温度（℃）の測定値を示す図である。
【図５】発振電力対入力電圧（Ｖｇ）および温度（℃）の測定値を示す図である。
【図６Ａ】ＨＴＶＣＯの試作品を示す図である。
【図６Ｂ】ＨＴＶＣＯの試作品を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
耐環境性無線センサネットワーク（ＲＷＳＮ）は、過酷な環境での測定および監視に対する要求に対する解決策をもたらす。たとえば航空機エンジンの内部など、これまでまったく不可能であった測定を可能にすることにより、あるいは国家安全保障用のセンサネットワークの信頼性の向上を実現することにより、新たな可能性をもたらす。
【００１１】
ＲＷＳＮの実装におけるボトルネックの１つは、通信モジュールであるため、本発明の一目的は、センサネットワーク用の耐環境性無線送受信機の開発に用いられるようにすることである。このような送受信機は、高温、激しい振動、および電磁干渉（ＥＭＩ）に対して耐久性をもたなければならない。図１は、エンドユーザシステムの一部としての、このような送受信機の利用の場面を示す。耐環境性無線センシングシステムのネットワーク要素は、センサ、電源、および耐環境性送受信機から構成される。
【００１２】
耐環境性送受信機の開発に際しては、さまざまな科学的問題を考慮に入れなければならない。重要な第１の問題は、高温、高レベルの振動、およびＥＭＩに耐えることができるようなデバイスの機械的設計である。そのためには、回路動作に対する熱サイクル、熱交換、および応力の影響を最小にしなければならない。シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）技術を用いることにより、能動電子部品は高温で機能することができるので、デバイス内部の熱交換の問題は軽減される。しかし熱交換は、適切なパッケージングの解決策の選択において考慮する必要がある重要な設計要因として、依然として残る。振動および高熱は、基板とその構成部品の間の接合部に加えられる応力に大きな影響を及ぼす。適切な材料の選択、予測される動作温度でのそれらの特性および相互作用の検証が、設計が好結果を生むためには重要となる。たとえば、用いられるさまざまな材料の熱膨張係数（ＣＴＥ）は、接合部の故障を避けるためには同様の値でなければならない。設計される発信器の実際の動作温度は２７０℃であり、このような限界は、長期間にわたる過酷な環境での信頼性を確保するためには、改善されなければならない。電気設計またはシステム設計によって対処される第２の問題は、温度変化から生じるものである。動作温度に応じて、発信および送信モジュールの両方で用いられる電圧制御発振器（ＶＣＯ）の発振周波数は、わずかに変化する。これは、電子部品の温度依存性によって引き起こされ、それらの値の変化は発振周波数の変化となる。温度が変化するのに従って、発信器の周波数を追跡できることは有用であり、さらには送受信機ネットワークの場合には非常に重要となる。もう１つの解決策は、たとえば温度を監視し、それに従って電圧バイアスを調整することによって、発振周波数を安定化し、温度変化の影響を受けないようにすることであろう。
【００１３】
ネットワーク化の能力をもつ、またはもたない、高温用途用の送受信機は、カスタム設計の結果得られるものであり、既製の市販品ではない。いくつかの実施形態では、本発明により、過酷な環境に対する耐久性とネットワーク化の能力が組み合わされる。これは、好ましくは低い伝送速度で機能する。これは伝送の信頼性を向上させ、センサは通常、大量のデータを伝送しないことを考えれば許容される。
【００１４】
無線センサネットワークの応用分野は、数多くある。無線センサネットワークのタービンエンジンへの応用は、有利である。航空宇宙産業により、エンジン監視用にますます多くのセンサが付加されるので、過酷な環境に耐久性のある電子回路の必要性が増している。現在、このような電子回路は、航空機エンジンの研究および開発段階の改善のために必要であり、最終的には飛行中の監視および測定の可能性をもたらし得る。これは、より迅速な保守、および性能向上となる設計変更を可能にする。エンジンのいくつかの部分は外部環境と配線で接続できないことから、航空宇宙産業は高温耐環境性無線遠隔計測の潜在的な市場となる。さらに、センサの数が増加するにつれて、配線およびケーブルの重量がより著しくなり、無線での解決策を支持するさらなる論拠をもたらす。航空機エンジンの分野での技術的進歩の恩恵を受ける主役は、飛行機の運用者である。飛行機の運用コストは、運用者の主要な関心事である。エンジン保守のコストは、Ｔａｎａｋａ，Ｙ．、Ｎａｇａｉ，Ｓ．、Ｕｓｈｉｄａ，Ｍ、およびＵｓｕｉ，Ｔ．によって書かれた「Ｌａｒｇｅ  Ｅｎｇｉｎｅ  Ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ  ｔｏ  Ｓｕｐｐｏｒｔ  Ｆｌｉｇｈｔ  Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ  Ａｉｒｌｉｎｅｓ」、三菱重工業株式会社発行の三菱重工技報、４０巻、２号、（２００３年４月）に記載されているように、総運用費用の３０％を占める。このことは、ｗｗｗ．ａｉｒｃａｎａｄａ．ｃｏｍのエアカナダのＷｅｂサイトにおいて入手可能な、「Ｇｅｓｔｉｏｎ  ＡＣＥ  Ａｖｉａｔｉｏｎ  Ｉｎｃ．、（２００５年１１月）、Ｒａｐｐｏｒｔ  ｄｅ  ｇｅｓｔｉｏｎ  −  Ｔｒｏｉｓｉｅｍｅ  ｔｒｉｍｅｓｔｒｅ  ２００５」と題される刊行物に詳述されているように、エアカナダにとって、２００４年における３１９機のジェット機の保守のための２６．３億ドルという形で現れている。
【００１５】
したがって耐環境性無線センサ技術は、ＮＡＳＡ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｂｕｌｌｅｔｉｎ  ＃ＴＭ−２００４−２１３２０２において発行された、「Ｓｅｎｓｏｒ  Ｎｅｅｄｓ  ｆｏｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ａｎｄ  Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ  Ａｉｒｃｒａｆｔ  Ｅｎｇｉｎｅｓ」において、Ｓｉｍｏｎ，Ｄ．Ｌ．、Ｇａｎｇ，Ｓ．、Ｈｕｎｔｅｒ，Ｇ．Ｗ．、Ｇｕｏ，Ｔ．−Ｈ．、およびＳｅｍｅｇａ，Ｋ．Ｊ．（２００４年）によって提案されたように、保守のために必要な時間を最小にし、オーバホールまでの時間（ＴＢＯ）を増加させるのに有望な解決策となる。これらのコストを低減することは、エンドユーザにとってかなりの経済的利益を生ずることになる。さらに、ＲＷＳＮを通じた先進的なエンジン健康状態監視のための割増し費用は、タービンエンジンの価値に対しては二義的なものである。
【００１６】
無線センサネットワークのもう１つの可能な応用例は、国家安全保障の分野におけるものである。国家安全保障への関心の高まりは、配備が迅速な監視システムに対する必要性を生ずる。通常、国家安全保障は、軍事通信、警察、救急医療隊員、消防士などを指す。無線センサネットワーク技術の使用は、効率的な、信頼性のある軍用サーベイランスシステムを可能にする解決策を提供する。応用分野は数多くあり、このようなシステムは、移動検出境界線または任意のタイプのセンサを設定するために、戦略的境界線の周りに配置、または目標領域全体にわたって分散させることができる。森林火災の消防士は、火災の危険があると見なされる森林内で発熱を監視し、それによって反応時間を最小にするために、温度センサの無線ネットワークを使用することができる。しかし、国家安全保障では、信頼性および耐久性は、殆どの民生用の相当品を超える高い条件が課される。このような応用分野にセンサネットワーク技術を用いるには、複数の物理的制約に対する頑健性および耐性が必要である。
【００１７】
このような耐環境性送受信機および無線センサを開発し商品化するための、今日の技術での知られている１つの弱点となる構成部品は、発振器のレベルのものである。送受信機および無線センサは、無線周波数を発生するために発振器を用いる必要がある。より正確には、送信器および受信器は、温度変化に対して発振周波数を安定化することができるＶＣＯをもつ必要がある。以下の段落では、本発明の態様によるＶＣＯについて説明する。
【００１８】
本発明によれば、高温動作環境、あるいは簡単なまたは低コストの回路設計が望ましい場合に適した発振器回路を実現するために、トランジスタ（たとえば電界効果トランジスタまたはバイポーラ接合トランジスタ）の可変容量特性が有利に用いられる。そのために、本発明は、電圧入力と、電圧入力に応じた発振周波数を有する、電圧制御発振器（ＶＣＯ）および高温ＶＣＯ（ＨＴＶＣＯ）を提供する。ＶＣＯは、持続発振を可能にする利得をもたらし、入力電圧に応じて変化する容量を有するトランジスタを用いる。電圧入力は、トランジスタが電界効果トランジスタである場合はトランジスタのゲートにおいて、トランジスタがバイポーラ接合トランジスタである場合はベースにおいて受け取られる。ＶＣＯはまた、基本発振周波数を制御するためのインダクタンスを含む。ＨＴＶＣＯは、２００から３００℃の温度で動作することができる。
【００１９】
本発明のもう１つの実施形態により、本発明を実証するための試作品が考えられた。ＨＴＶＣＯ試作品は、コルピッツ発振器に基づく。通常、このような発振器では、所望の発振周波数を得るためにキャパシタとインダクタの値が調整される。電圧制御キャパシタ（バラクタ）Ｃ１（図２を参照）は、その容量値が変化されるとき、発振周波数の変化を可能にする。このような構成では、トランジスタＪ１は、発振を持続するための利得をもたらすために必要である。コルピッツ発振器はまた、バラクタすなわち可変キャパシタを含み、これは市販されているが、１７５℃超での動作用には仕様化されていない。さらに、製造業者の仕様は、２５℃の温度の場合にのみ、印加逆電圧に対する容量変化を規定しており、温度によって特性がどのように影響を受けるかについては詳述されていない。したがって、高温性能は保証されず、仕様化もされず、場合によっては製造プロセスの変更により予告なしに変更されることがあるので、高温設計においてバラクタを用いることは難しい。
【００２０】
この問題を克服するために、本発明は、バラクタをトランジスタで置き換える。文献から知られているように、トランジスタの内部容量、このケースでは高温に対して規格化された（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ  ＨＴＮＦＥＴなどの）トランジスタの内部容量は、その分極が変化されるのに従って変化する。このような機構により、図２のバラクタＣ１を、発振器動作温度に対して仕様化されたトランジスタによって置き換えることが可能になる。たとえば、ＨｏｎｅｙｗｅｌｌのＨＴＮＦＥＴは、−５５℃から２２５℃にわたって仕様化されている。Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌによれば、部品は通常、３００℃ではディレーティングされた性能で１年まで動作する。
【００２１】
図３に示される本発明のＨＴＶＣＯ試作品は、（１）持続発振を可能にするための利得をもたらすために、かつ（２）発振周波数を制御する可変キャパシタとして動作するために、単一のトランジスタを用いる。
【００２２】
入力ポートでの信号は、発振器の発振周波数を決定する。したがって図３の回路は、その入力に変調信号が供給される場合、周波数変調器として用いることができる。
ブレッドボード上の回路設計の実証の後、代替回路での試作品が、高温構成部品を用いて組み立てられ、試験された（表１を参照されたい）。
【００２３】
【表１】
2009545195.tif 000003
【００２４】
回路は、室温（約２２℃）から２６６℃まで試験された。回路は、２５０℃で３０分間動作させることによって、Ｐｒａｔｔ  ＆  Ｗｈｉｔｎｅｙ  Ｃａｎａｄａの高温短時間試験に耐えた。結果は、図４および５に示される。図４は周波数対入力電圧および温度を示し、図５は電力対入力電圧および温度を示す。
【００２５】
試作品の写真は、図６に示される。
このような発振器の１つの用途は、有線または無線の送受信機である。トランジスタの可変容量特性を用いた無線送受信機は、ポイントツーポイントでの使用またはネットワーク内での使用のための高温無線センサが１つの用途となり得る。
【００２６】
本発明はまた、ＨＴＶＣＯの設計、および分極電圧がより適切な可変容量を生じるように、ＨＴＶＣＯ内のトランジスタに対する分極電圧を選択する方法を含む。
本発明のＶＣＯおよびＨＴＶＣＯは、多数の用途に用いることができる。たとえば、ＨＴＶＣＯは、高温センサ送受信機を実現するために、高温センサと組み合わせることができる。このような高温センサは、ガスタービン内に組み込むことができる。
【００２７】
本発明について、好ましい実施形態によって説明してきたが、求める保護の範囲を定義する添付の特許請求の範囲から逸脱せずに、本発明に対して多くの変更を行うことができる。
【図１】
2009545195.tif 000004
【図２】
2009545195.tif 000005
【図３】
2009545195.tif 000006
【図６Ａ】
2009545195.tif 000007
【図６Ｂ】
2009545195.tif 000008
【図４】
2009545195.tif 000009
【図５】
2009545195.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成20年11月14日(2008.11.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧入力と、前記電圧入力に応じた発振周波数とを有する高温電圧制御発振器（ＨＴＶＣＯ）であって、印加された入力電圧に応じて容量が変化するトランジスタを備え、約１８０℃より高い温度で動作する高温電圧制御発振器。
【請求項２】
前記トランジスタが、持続発振を可能にする利得をもたらす、請求項１に記載の高温電圧制御発振器。
【請求項３】
電圧入力と、前記電圧入力に応じた発振周波数とを有する高温電圧制御発振器（ＨＴＶＣＯ）であって、ゲートに印加された入力電圧に応じて容量が変化するトランジスタを備え、８５℃より高い温度で動作する高温電圧制御発振器。
【請求項４】
前記トランジスタが電界効果トランジスタである、請求項１から３のいずれかに記載の高温電圧制御発振器。
【請求項５】
請求項４に記載の高温電圧制御発振器を設計する方法において、  前記高温電圧制御発振器内の前記電界効果トランジスタに対する分極電圧を選択して、より適切な可変容量を生じさせるステップを含む方法。
【請求項６】
請求項１から４のいずれか一項に記載の高温電圧制御発振器と、  センサ出力信号を無線送信するために前記発振器に動作可能に結合された高温センサと、  を備える高温センサ送受信機。
【請求項７】
請求項８に記載のセンサ送受信機を組み込んだガスタービンエンジン。
【請求項８】
電圧入力と、前記電圧入力に応じた発振周波数とを有する電圧制御発振器（ＶＣＯ）であって、持続発振を可能にする利得をもたらし、かつ、前記発振周波数を制御する可変キャパシタとして動作するトランジスタを備えた電圧制御発振器。
【請求項９】
前記電圧入力が、前記トランジスタのゲートで受信される、請求項８に記載の電圧制御発振器。
【請求項１０】
基本発振周波数を制御するためのインダクタンスをさらに備える、請求項９に記載の電圧制御発振器。
【国際調査報告】
2009545195.tif 000011
2009545195.tif 000012
2009545195.tif 000013