(57)【要約】ＭＥＭＳ共振器と増幅器とを含んだ帰還型発振回路、および、増幅器からの出力を受けて該出力のレベルに基づいて増幅器からの出力のレベルを一定に保つように増幅器のゲインを制御する自動利得制御器を備え、増幅器からの出力を原発振信号として出力する発振部と、原発振信号を入力し原発振信号から所定の設定周波数の信号を生成し出力信号として出力する補正部と、を有し、補正部は、原発振信号とは別に、ＭＥＭＳ共振器のゲインに関する情報を含む情報信号を発振部から入力し、情報信号に基づいて原発振信号の周波数を補正して所定の設定周波数の信号を生成し出力信号として出力する、ＭＥＭＳ発振器。
2012017572.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＥＭＳ共振器と増幅器とを含んだ帰還型発振回路、および、前記増幅器からの出力を受けて該出力のレベルに基づいて前記増幅器からの出力のレベルを一定に保つように前記増幅器のゲインを制御する自動利得制御器を備え、前記増幅器からの出力を原発振信号として出力する発振部と、
前記原発振信号を入力し前記原発振信号から所定の設定周波数の信号を生成し出力信号として出力する補正部と、を有し、
前記補正部は、前記原発振信号とは別に、前記ＭＥＭＳ共振器の共振周波数におけるゲインと対応関係を有する信号を含む情報信号を前記発振部から入力し、前記情報信号に基づいて前記原発振信号の周波数を補正して前記所定の設定周波数の信号を生成し出力信号として出力する、ＭＥＭＳ発振器。
【請求項２】
前記補正部は、分周比を可変的に制御可能なプログラマブル分周器を備えた周波数シンセサイザと、前記プログラマブル分周器の分周比を制御する分周比制御部と、を備え、
前記分周比制御部は、前記情報信号に基づいて前記プログラマブル分周器の分周比を制御し、前記周波数シンセサイザは、前記原発振信号を入力し前記原発振信号から前記所定の設定周波数の信号を生成し出力信号として出力する、請求項１に記載のＭＥＭＳ発振器。
【請求項３】
前記情報信号は、前記ＭＥＭＳ共振器から前記増幅器への帰還信号である、請求項１に記載のＭＥＭＳ発振器。
【請求項４】
前記情報信号は、前記自動利得制御器が出力する前記増幅器のゲインを制御するための制御信号である、請求項１に記載のＭＥＭＳ発振器。
【請求項５】
前記自動利得制御器は、前記原発振信号を入力して前記原発振信号のピーク電圧を検出するピークホールド回路と、前記検出にかかるピーク電圧と所定の基準電圧とを比較し、該比較の結果を示す信号を出力するコンパレータと、を備え、
前記自動利得制御器は、前記制御信号として前記比較の結果を示す信号を出力して前記増幅器のゲインを制御する、請求項１に記載のＭＥＭＳ発振器。
【請求項６】
前記補正部は、さらに、前記原発振信号を入力し該原発振信号を分周して前記周波数シンセサイザへ出力する第２の分周器を備える、請求項２に記載のＭＥＭＳ発振器。
【請求項７】
前記第２の分周器は、第２のプログラマブル分周器であり、
前記分周比制御部は、前記情報信号に基づいて前記第２のプログラマブル分周器の分周比を制御する、請求項６に記載のＭＥＭＳ発振器。
【請求項８】
前記補正部は、さらに、前記原発振信号を入力し該原発振信号を逓倍して前記周波数シンセサイザへ出力する逓倍器を備える、請求項２に記載のＭＥＭＳ発振器。
【請求項９】
前記逓倍器は、プログラマブル逓倍器であり、
前記分周比制御部は、前記情報信号に基づいて前記プログラマブル逓倍器の逓倍比を制御する、請求項８に記載のＭＥＭＳ発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
技術分野は、発振器に関し、特に、ＭＥＭＳ共振器を用いた発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電子機器等において回路の動作のタイミングをとる（同期をとる）ために発振器が用いられる。動作の基準となる電気信号を正確に出力する発振器は電子機器にとって必要不可欠のデバイスである。水晶振動子を用いた水晶発振器は、そのような発振器の一例だが、水晶発振器は、小型化が困難であること、集積化に不向きであること、試作工数が多いこと、歩留まりが良くないこと、納期に時間を要すること、などの課題を抱えている。そこで近年、水晶発振器に代わるデバイスとして、シリコン等から半導体プロセスにより作成される微小電気機械（ＭＥＭＳ：Micro Electro-Mechanical Systems）を用いた発振器が注目されている。【０００３】
微小電気機械発振器（以下、「ＭＥＭＳ発振器」と称する。）は、増幅回路とＭＥＭＳ共振器からなる帰還型の発振回路を備える。ＭＥＭＳ共振器は、特定の周波数、すなわちＭＥＭＳ振動子の共振周波数（振動子の固有振動数）、の近傍の周波数を有する電気信号についてのみ入出力電極間の電気通過特性が著しく向上する、という特性を有する。ＭＥＭＳ発振器においては、ＭＥＭＳ振動子のこのような特性を利用して増幅回路からの出力に含まれる共振周波数の電気信号を増幅回路へ帰還させることにより発振状態を作り出す。そして、ＭＥＭＳ発振器は、発振状態において増幅回路から出力される電気信号を発振信号として出力する。したがって、ＭＥＭＳ発振器から出力される発振信号の周波数は、ＭＥＭＳ振動子の共振周波数に基づいて定まる。【０００４】
ＭＥＭＳ共振器の共振周波数には温度依存性があることが知られる。ＭＥＭＳ共振器は、一般的にはシリコンなどから形成され、シリコンの温度特性によりその共振周波数に−２０［ｐｐｍ／℃］程度の温度特性がある。例えば、動作温度が−２０〜＋８０℃まで１００℃変化すれば、共振周波数は、２０００［ｐｐｍ］程度変化する。そのため、ＭＥＭＳ共振器の動作温度が変化することで、発振信号の周波数も変化する。そこで、従来のＭＥＭＳ発振器においては、ＭＥＭＳ共振器近傍に温度センサを配し、温度センサが計測する温度にもとづいてＭＥＭＳ共振器の共振周波数の温度依存性に起因する発振信号の周波数変動を補償し、温度に依らずに一定の周波数の電気信号を出力する。【０００５】
図２１は、従来のＭＥＭＳ発振器のブロック図である。従来のＭＥＭＳ発振器３００は、原発振信号を出力する発振部３０１と、原発振信号の周波数を補正して所望の周波数を有する出力信号を出力する補正部３０２とを有する（特許文献１参照。）。【０００６】
発振部３０１においては、増幅器３１２とＭＥＭＳ共振器３１３とで帰還型の発振回路が構成され、増幅器３１２からの出力が原発振信号として取り出されて補正部３０２へ入力される。【０００７】
温度変化等によりＭＥＭＳ共振器３１３の共振周波数が変動すると、原発振信号の周波数も変動する。ＭＥＭＳ発振器３００においては、補正部３０２が、原発振信号の周波数の変動を補償することにより、出力信号の周波数を一定に保つ。【０００８】
補正部３０２は、ＰＬＬ（Phase-Locked Loop）回路３２１と、ＰＬＬ回路３２１のフィードバックに設けた分周器（不図示）の分周比を制御する分周比制御部３２２と、温度センサ１１０１とを備える。【０００９】
分周比制御部３２２は、温度センサ１１０１からの入力にもとづき、ＰＬＬ３２１が出力する出力信号の周波数が所望の値になるようにＰＬＬ３２１のフィードバックに設けた分周器（不図示）の分周比を調整する。より詳細には、分周比制御部３２２は、既知のＭＥＭＳ共振器３１３の共振周波数の温度特性と、温度センサ１１０１からの入力と、予め設定される出力信号の周波数とから、ＰＬＬ３２１のフィードバックに配置された分周器（不図示）の分周比を決定する。【００１０】
図２２は、上述のＭＥＭＳ共振器３００の側部断面図である。同図に示すように、ＭＥＭＳ共振器３１３は、空気などが振動子の機械的振動へ影響を及ぼさないよう、振動子の周囲が真空に保たれるようにパッケージングされる。このような構造を有するＭＥＭＳ共振器３１３は、増幅部３１２および補正部３０２が形成される第１のチップ１３０１とは別の第２のチップ１３０２として形成される。温度センサ１１０１は、第１のチップ１３０１内のＭＥＭＳ共振器３１３近傍に形成される。【００１１】
そして、第１のチップ１３０１と第２のチップ１３０２とは、第２のチップ１３０２の外装表面から回路の表層まで延びた配線８０３に接続されたパッド８０４と、第１のチップ１３０１に接続されたパッド８０５とを金属ワイヤ８０６で繋ぐことで接続され、縦積みで実装される。【００１２】
上述のとおり、ＭＥＭＳ共振器３１３の振動子の周囲は真空状態にある。そのため、振動子と、その外部との間の熱伝導性は低い。しかるに、第１のチップ１３０１の温度センサ１１０１が計測する温度の時間変動と、ＭＥＭＳ共振器３１３の振動子の実際の温度の時間変動との間には差違が生じる。【００１３】
図２３は、温度センサ１１０１が計測した温度、および、ＭＥＭＳ共振器３１３内振動子の実際の温度、の時間変化の例を模式的に表した図である。温度センサ１１０１が計測した温度９０１が同図のように変動する場合には、振動子の実際の温度９０２は、温度９０１に少し遅れて温度９０１に追従するように変動する。そのため、温度センサ１１０１が計測した温度９０１は、期間Ｄ９０３や、時刻Ｔ９０４、Ｔ９０５、Ｔ９０６といった非常に限られた時刻においてのみ、振動子の実際の温度９０２と一致し、その他の時刻において、両者は一致しない。換言すれば、従来のＭＥＭＳ発振器３００の構成では、振動子の実際の温度に基づいてリアルタイムにＭＥＭＳ共振器３１３の共振周波数の温度依存性を正しく補償して所望の周波数と精確に一致した周波数を有する出力信号を常時出力することは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特表２００７−５１８３５１号公報
【特許文献２】特開２００８−３１１８８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上記従来技術における問題点を鑑み、ＭＥＭＳ共振器の温度が変動する場合においても安定して動作するＭＥＭＳ発振器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
その一態様は、ＭＥＭＳ共振器と増幅器とを含んだ帰還型発振回路、および、増幅器からの出力を受けて該出力のレベルに基づいて増幅器からの出力のレベルを一定に保つように増幅器のゲインを制御する自動利得制御器を備え、増幅器からの出力を原発振信号として出力する発振部と、原発振信号を入力し原発振信号から所定の設定周波数の信号を生成し出力信号として出力する補正部と、を有し、補正部は、原発振信号とは別に、ＭＥＭＳ共振器の共振周波数におけるゲインと対応関係を有する信号を含む情報信号を発振部から入力し、情報信号に基づいて原発振信号の周波数を補正して所定の設定周波数の信号を生成し出力信号として出力する、ＭＥＭＳ発振器である。【００１７】
その一態様においては、補正部は、分周比を可変的に制御可能なプログラマブル分周器を備えた周波数シンセサイザと、プログラマブル分周器の分周比を制御する分周比制御部と、を備え、分周比制御部は、情報信号に基づいてプログラマブル分周器の分周比を制御し、周波数シンセサイザは、原発振信号を入力し原発振信号から所定の設定周波数の信号を生成し出力信号として出力してもよい。【００１８】
その一態様においては、情報信号は、ＭＥＭＳ共振器から増幅器への帰還信号でもよい。【００１９】
その一態様においては、情報信号は、自動利得制御器が出力する増幅器のゲインを制御するための制御信号でもよい。【００２０】
その一態様においては、自動利得制御器は、原発振信号を入力して原発振信号のピーク電圧を検出するピークホールド回路と、検出にかかるピーク電圧と所定の基準電圧とを比較し、該比較の結果を示す信号を出力するコンパレータと、を備え、自動利得制御器は、制御信号として比較の結果を示す信号を出力して増幅器のゲインを制御してもよい。【００２１】
その一態様においては、補正部は、さらに、原発振信号を入力し該原発振信号を分周して周波数シンセサイザへ出力する第２の分周器を備えてもよい。【００２２】
その一態様においては、第２の分周器は、第２のプログラマブル分周器でもよい。その場合、分周比制御部は、情報信号に基づいて第２のプログラマブル分周器の分周比を制御してもよい。【００２３】
その一態様においては、補正部は、さらに、原発振信号を入力し該原発振信号を逓倍して周波数シンセサイザへ出力する逓倍器を備えてもよい。【００２４】
その一態様においては、逓倍器は、プログラマブル逓倍器でもよい。その場合、分周比制御部は、情報信号に基づいてプログラマブル逓倍器の逓倍比を制御してもよい。
【発明の効果】
【００２５】
本実施の形態のＭＥＭＳ発振器は、ＭＥＭＳ共振器の温度が変動する場合においても、所望の周波数を有する電気信号を安定的に出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施の形態１のＭＥＭＳ発振器のブロック図
【図２】ＭＥＭＳ共振器の出力の周波数特性の図
【図３】自動利得制御器のブロック図
【図４】周波数シンセサイザのブロック図
【図５】ＭＥＭＳ共振器の共振周波数の温度特性の図
【図６】ＭＥＭＳ共振器の出力の温度特性の図
【図７】ＭＥＭＳ共振器の出力の周波数特性の図
【図８】ＭＥＭＳ共振器の出力電圧の温度特性の図
【図９】分周比制御部のブロック図
【図１０】分周比制御部の別例のブロック図
【図１１】ＭＥＭＳ共振器の出力の温度特性の図
【図１２】ＭＥＭＳ共振器の出力の周波数特性の図
【図１３】ＭＥＭＳ共振器の出力電圧の温度特性の図
【図１４】実施の形態２のＭＥＭＳ発振器のブロック図
【図１５】ＭＥＭＳ共振器の出力と増幅器の出力の関係を示す図
【図１６】ＭＥＭＳ共振器の出力と増幅器の出力の関係を示す図
【図１７】補正部の変形例のブロック図
【図１８】補正部の変形例のブロック図
【図１９】実施の形態１のＭＥＭＳ発振器の変形例のブロック図
【図２０】実施の形態２のＭＥＭＳ発振器の変形例のブロック図
【図２１】従来のＭＥＭＳ発振器のブロック図
【図２２】従来のＭＥＭＳ発振器の側部断面図
【図２３】温度センサが計測する温度変動と振動子の実際の温度変動との関係を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、実施の形態について、詳細に説明する。
【００２８】
本実施の形態のＭＥＭＳ発振器は、ＭＥＭＳ共振器と、増幅器と、増幅器からの出力を一定に保つように増幅器のゲインを制御する自動利得制御器と、で構成された帰還型発振回路を備えた発振部、および、発振部から出力される原発振信号から所望の周波数の出力信号を生成して出力する補正部、を有する。
【００２９】
本実施の形態のＭＥＭＳ発振器の補正部は、原発振信号を入力し出力信号を出力するＰＬＬ周波数シンセサイザと、ＰＬＬ周波数シンセサイザのフィードバックに配置されたプログラマブル分周器の分周比を、ＭＥＭＳ共振器のゲインに基づいて制御する分周比制御部と、を備える。後述するように、ＭＥＭＳ共振器のゲインの大きさは、共振周波数と同様の温度依存性を有し温度が変化することで単調に変化するため、当該ゲインの大きさからそのときのＭＥＭＳ共振器の共振周波数を知ることが可能である。そこで、補正部では、ＭＥＭＳ共振器のゲインの大きさに基づきプログラマブル分周器の分周比を制御し、周波数シンセサイザからの出力信号の周波数を所望の周波数に保つ。
【００３０】
なお、分周比制御部は、ＭＥＭＳ共振器から増幅器へ帰還される信号を受けて、当該信号のレベルからＭＥＭＳ共振器のゲインを取得する。または、分周比制御部は、自動利得制御器から出力される、増幅器からの出力のレベルを一定に保つように増幅器のゲインを制御するための制御信号（振幅制限信号）を受けて、当該振幅制御信号からＭＥＭＳ共振器のゲインを取得する。
【００３１】
このような構成により、本実施の形態のＭＥＭＳ発振器は、ＭＥＭＳ共振器の共振周波数の温度依存性に起因した原発振信号の周波数の変動をよく補正し、一定の所望の周波数の出力信号を出力することが可能である。
【００３２】
（実施の形態１）
１．ＭＥＭＳ発振器の構成
図１は、実施の形態１にかかるＭＥＭＳ発振器のブロック図である。ＭＥＭＳ発振器１００は、原発振信号を出力する発振部１と、原発振信号を受けて所望の周波数を有する出力信号を出力する補正部２と、を有する。
【００３３】
発振部１は、自動利得制御器１１と、自動利得制御器１１の制御下で入力信号（発振部帰還信号）を一定のレベル（電圧）にまで増幅して出力する増幅器１２と、増幅器１２からの出力を受け発振部帰還信号を増幅器１２へ返すＭＥＭＳ共振器１３と、を含む。
【００３４】
自動利得制御器１１は、増幅器１２からの出力を入力し、増幅器１２の出力のレベルを一定に保つように増幅器１２のゲインを制御する。ここで、当該制御に用いられる制御信号を振幅制限信号と称する。増幅器１２は、ＭＥＭＳ共振器１３からの帰還信号を受け、自動利得制御器１１から入力した振幅制限信号によるゲインコントロールの下で帰還信号を増幅し出力する。増幅器１２からの出力（原発振信号）は、自動利得制御器１１、補正部２、ＭＥＭＳ共振器１３へ送られる。ＭＥＭＳ共振器１３は、増幅器１２からの出力を受け、帰還信号を出力する。なお、後述する補正部２の周波数シンセサイザ２１の帰還回路を流れる帰還信号と混同されるおそれがある場合には、ＭＥＭＳ共振器１３から増幅器１２への帰還信号をとくに発振部帰還信号と称することとする。
【００３５】
２．ＭＥＭＳ発振器の動作
２．１発振部の動作
図２は、ＭＥＭＳ共振器１３の入出力電極間の電気通過特性（単体通過特性）を示すグラフである。同図において横軸は周波数を示し、縦軸は減衰量（ＭＥＭＳ共振器ゲイン）を示す。ＭＥＭＳ共振器１３は、適切なレベルの入力を受けた場合には、共振周波数ｆについて左右対称な通過特性４０１を示す。しかし、ＭＥＭＳ共振器１３は、過大なレベルの入力を受けた場合には、通過特性４０２のように歪んだ通過特性を示す。そのような過大なレベルの入力をＭＥＭＳ共振器１３が受けると、ＭＥＭＳ共振器１３の共振周波数は変化するとともに、不安定化する。併せて、Ｑ値も劣化し、場合によっては、ＭＥＭＳ共振器１３を構成する振動子がギャップを隔てて隣接する励振電極と接触し、ＭＥＭＳ共振器１３は破壊される。そこで、ＭＥＭＳ共振器１３に対し過大なレベルの信号が入力されないように、自動利得制御器１１は、増幅器１２の出力がＭＥＭＳ共振器１３にとって適切なレベルになるように増幅器１２のゲインを制御し、増幅器１２の出力を所定のレベルに保つ。なお、ＭＥＭＳ共振器１３への入力として適切なレベルは、ＭＥＭＳ共振器１３の共振モードや、ＭＥＭＳ共振器１３を構成する振動子と励振電極とのギャップ間隔や、振動子および／または励振電極に印加されるバイアス電圧などから決定され、一般的にはおおよそ数十から数百ミリボルト程度である。
【００３６】
図３は、自動利得制御器１１の詳細を示すブロック図である。自動利得制御器（ＡＧＣ：Automatic Gain Controller）１１は、増幅器１２からの出力、すなわち原発振信号、を入力し、ピークホールド回路１１１で原発振信号の最大レベル（ピーク電圧）を検出する。また、自動利得制御器１１には、基準電圧源（図示せず）から基準電圧入力端子１１２を介して基準電圧が入力される。ピーク電圧および基準電圧は、コンパレータ１１３へ入力され、コンパレータ１１３は、両電圧を比較し、ピーク電圧が基準電圧よりも低い場合には、振幅制限信号「Ｌｏｗ」を出力し、逆にピーク電圧が基準電圧よりも高い場合には、振幅制限信号「Ｈｉｇｈ」を出力する。
【００３７】
自動利得制御器１１が出力する振幅制限信号は、例えば、増幅器１２の出力端子と並列に配置されたＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタのゲートに入力される。該ゲートに振幅制限信号「Ｌｏｗ」が入力されると並列抵抗が小さくなり、増幅器１２のゲインはアップし、逆に該ゲートに振幅制限信号「Ｈｉｇｈ」が入力されると並列抵抗が大きくなり、増幅器１２のゲインはダウンする。このようにして、自動利得制御器１１は、基準電圧に基づき、増幅器１２からの出力のレベルをリアルタイムに制御する。そうすることで、増幅器１２からの出力（ＭＥＭＳ共振器１３への入力）のレベルは、常時適切なレベルに保たれ、もって、ＭＥＭＳ共振器１３の正常動作が確保される。
【００３８】
なお、自動利得制御器１１の構成例として、ピークホールド回路１１１およびコンパレータ１１３から構成される回路を挙げたが、これは一例であり、自動利得制御器１１の構成は、これに限られるものではない。増幅器１２からの出力のレベル（電圧）が一定になるように増幅器１２のゲインを制御することができる回路であれば、自動利得制御器１１として利用することが可能である。例えば、振幅制限信号として具体的に増幅器１２のゲインの値を指定して増幅器１２を制御するような回路であってもよい。
【００３９】
２．２補正部の動作（原発振信号の周波数補正）
図４は、補正部２の周波数シンセサイザ２１の詳細を示すブロック図である。周波数シンセサイザ２１は、ＰＬＬ周波数シンセサイザである。周波数シンセサイザ２１では、先ずその位相比較器２１１が、発振部１から入力される原発振信号と、ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）２１３からプログラマブル分周器２１４を介して帰還される帰還信号（ＰＬＬ帰還信号）の位相差を検出し、検出した位相差を誤差信号としてループフィルタ２１２へ出力する。ループフィルタ２１２は、誤差信号に含まれる不要な短周期（高周波数）の変動成分を除去し、補正信号としてＶＣＯ２１３へ出力する。ＶＣＯ２１３は、入力される補正信号のレベル（電圧）にしたがって出力信号の周波数を制御し、補正信号のレベルに対応した周波数の出力信号を出力する。
【００４０】
２．２．１．プログラマブル分周器の分周比の制御
プログラマブル分周器２１４は、外部からの制御にしたがいその分周比を可変的に設定可能な分周器である。補正部２においては、プログラマブル分周器２１４の分周比は、分周比制御部２２が出力する分周被制御信号にしたがって設定される。以下、分周比制御部２２が、ＭＥＭＳ共振器１３の発振部帰還信号を受けて、当該発振部帰還信号のレベル（電圧）の大きさからＭＥＭＳ共振器１３のゲインを取得し、ＭＥＭＳ共振器１３のゲインに基づいてプログラマブル分周器２１４の分周比を制御する動作について説明する。
【００４１】
図５は、ＭＥＭＳ共振器１３の共振周波数の温度特性を示すグラフである。ここでの共振周波数は、図２における通過特性４０１におけるピークの周波数ｆと対応する。同図に示されるように、ＭＥＭＳ共振器１３の共振周波数は、−２０［ｐｐｍ／℃］程度の温度依存性を有する。図から明らかだが、ＭＥＭＳ共振器１３の共振周波数は、温度上昇にともない単調に減少する。なお、本実施の形態および下記実施の形態２のＭＥＭＳ発振器は、共振器の共振周波数が温度上昇とともに単調に増大する場合であっても、適用可能である。
【００４２】
図６は、ＭＥＭＳ共振器１３の減衰量（ＭＥＭＳ共振器ゲイン）の温度特性を示すグラフである。同図に示されるように、ＭＥＭＳ共振器１３の減衰量もまた、その温度が上昇するにしたがって単調に減少する温度特性４０４を有する。
【００４３】
図５および図６から、ＭＥＭＳ共振器１３の共振周波数とゲインとの対応関係が導出される。図７は、ＭＥＭＳ共振器１３の共振周波数とゲインの対応関係を示すグラフである。同図において、通過特性４０１Ｈは、温度Ｔ＝ＴＨにおけるＭＥＭＳ共振器１３の通過特性である。例えば、ＭＥＭＳ共振器１３が共振周波数ｆＴＨを示すなら、そのときのＭＥＭＳ共振器１３のゲインはｇＴＨであることがわかる。通過特性４０１ＭおよびＬも同様であり、ここで温度ＴＨ、ＴＭ、ＴＬは、ＴＨ＞ＴＭ＞ＴＬの関係にある。各温度における共振周波数（ｆＴＨ、ｆＴＭ、ｆＴＬ）ならびに図示しない他の温度における共振周波数のゲインを繋ぐことにより曲線４０３が得られる。曲線４０３は、ＭＥＭＳ共振器１３の共振周波数とゲインとの対応関係を示す曲線である。
【００４４】
ところで、発振部１においては、その自動利得制御器１１の作用により、増幅器１２からの出力のレベルは常時一定に保たれる。よって、ＭＥＭＳ共振器１３からの帰還信号のレベルは、ＭＥＭＳ共振器１３のゲインと対応する。そのため、ＭＥＭＳ共振器１３からの帰還信号のレベルは、図８に示す曲線６０１のような温度特性を示す。例えば、ＭＥＭＳ共振器１３は、その動作温度がＴＬであれば、レベル（電圧）ＶＴＬを有する周波数ｆＴＬの周波数成分を含んだ帰還信号を出力し、当該周波数成分のレベルは帰還信号のピーク電圧と実質一致する。他の温度においても同様である。
【００４５】
図１に示すように、分周比制御部２２は、ＭＥＭＳ共振器１３からの発振部帰還信号（原発振周波数情報信号）を入力し、当該発振部帰還信号の最大レベル（ピーク電圧）を検出し、当該ピーク電圧と、図７に示した共振周波数−ゲインの対応関係とに基づき、その時点におけるＭＥＭＳ共振器１３の共振周波数を導出する。つまり、発振部帰還信号（原発振周波数情報信号）はＭＥＭＳ共振器１３のゲインに関する情報を含んだ情報信号である。分周比制御部２２は、当該情報信号から共振周波数を導出する。そして、導出した共振周波数と、予め設定される出力信号の周波数とから、プログラマブル分周器２１４に設定されるべき分周比を決定し、プログラマブル分周器２１４の分周比を当該決定した分周比にするための分周比制御信号をプログラマブル分周比２１４へ出力する。
【００４６】
図９は、分周比制御部２２の例を示すブロック図である。信号生成部２２１は、原発振周波数情報信号（発振部帰還信号）を入力し、そのピーク電圧を検出し、ピーク電圧とプログラマブル分周器２１４の分周比との対応を示すテーブルが格納されたテーブルメモリ２２２を参照し、プログラマブル分周器２１４に設定されるべき分周比を決定する。なお、分周比制御部２２は、原発振周波数情報信号のピーク電圧を検出するためにピークホールド回路を備えてよい。
【００４７】
図１０は、分周比制御部２２の別例を示すブロック図である。信号生成部２２１は、原発振周波数情報信号（発振部帰還信号）を入力し、そのピーク電圧を検出する。そして、分周比演算部２２４が、当該検出したピーク電圧を、図７に例示したＭＥＭＳ共振器１３の共振周波数−ゲイン対応関係を近似した関数に入力し、そのときのＭＥＭＳ共振器１３の共振周波数を算出し、予め設定された出力信号の周波数と算出したＭＥＭＳ共振器１３の共振周波数とからプログラマブル分周器２１４に設定されるべき分周比を算出する。そして、信号生成部２２３は、算出した分周比を分周比制御信号としてプログラマブル分周器２１４へ出力する。
【００４８】
３．実施の形態１まとめ
このようにして、本実施の形態のＭＥＭＳ発振器１００は、温度変動等に起因して変動する原発振信号の周波数を、ＭＥＭＳ共振器１３のゲインと共振周波数との対応関係に基づいて補正し、予め設定された周波数を有する出力信号を出力することができる。本実施の形態のＭＥＭＳ発振器１００は、ＭＥＭＳ共振器１３自身が発する信号を用いてリアルタイムにＭＥＭＳ共振器１３のゲインを取得し、原発振信号の周波数の補正を行うことが可能になっている。つまり、ＭＥＭＳ共振器１３のゲイン（発振部帰還信号のレベル）は、ＭＥＭＳ共振器１３の動作温度に関する情報として用いることができる。そこで、ＭＥＭＳ発振器１００においては、ＭＥＭＳ共振器１３のゲインから動作温度を求め、共振周波数の温度特性からそのときのＭＥＭＳ共振器１３の共振周波数を求め、周波数シンセサイザ２１の動作を制御し、所望の周波数を有する出力信号を出力する。
【００４９】
そのため、ＭＥＭＳ共振器１００は、従来の構成のように、温度センサを要さない。よって、温度センサの計測温度と振動子の実際の動作温度とのずれに起因して出力信号の周波数の設定値からのずれは、ＭＥＭＳ発振器１００においては発生しない。しかるに、ＭＥＭＳ発振器１００は、高品質の出力信号を常時安定して出力することが可能である。
【００５０】
なお、図１１に示すようなゲインの温度特性５０４を示すＭＥＭＳ共振器１３であっても、本実施の形態のＭＥＭＳ発振器１００を構成することが可能である。この場合、ＭＥＭＳ共振器１３の共振周波数−ゲインの対応関係は、図１２に示す曲線５０３のように、温度上昇に伴って単調に減少する曲線となる。よって、ＭＥＭＳ共振器１３からの発振部帰還信号のレベルは、温度の変化に伴い図１３に示す曲線７０１のように変化する。
【００５１】
なお、本実施の形態においては、周波数シンセサイザ２１として、アナログＰＬＬ回路を用いたＰＬＬ周波数シンセサイザの構成を示したが、周波数シンセサイザ２１は、アナログＰＬＬ回路に限らず、デジタルＰＬＬ回路、または、オールデジタルＰＬＬ回路を用いて構成してもよい。また、周波数シンセサイザ２１は、ＰＬＬ回路以外の回路構成でもよい。
【００５２】
また、本実施の形態のＰＬＬ周波数シンセサイザ２１のプログラマブル分周器２１４は、整数型の分周器、または、分数型の分周器のいずれを用いて構成してもよい。
【００５３】
（実施の形態２）
図１４は、実施の形態２にかかるＭＥＭＳ発振器のブロック図である。実施の形態１のＭＥＭＳ発振器１００と同等の構成要素については同様の参照数字を付し、その説明を適宜省略する。
【００５４】
実施の形態２にかかるＭＥＭＳ発振器２００は、原発振周波数情報信号として、自動利得制御器１１が出力する振幅制限信号を利用する。上述のように振幅制限信号は、増幅器１２を制御してそのゲインを一定に保つことに用いられる信号である。
【００５５】
図１５は、ＭＥＭＳ共振器１３のゲイン４０４と増幅器１２のゲイン４０５の関係を、ＭＥＭＳ共振器１３の動作温度に沿って示すグラフである。このように、増幅器１２のゲイン４０５と、ＭＥＭＳ共振器１３のゲイン４０４とは、一対一の対応関係を有する。つまり、振幅制限信号（原発振周波数情報信号）はＭＥＭＳ共振器１３の共振周波数におけるゲインと対応関係を有する信号を含んだ情報信号である。そのため、増幅器１２のゲインを制御するための信号である振幅制限信号をモニタリングすることにより、ＭＥＭＳ共振器１３のゲインを取得することが可能である。分周比制御部２２は、振幅制限信号を原発振周波数情報信号として入力し、当該信号に基づいてＭＥＭＳ共振器１３のゲインを検出し、図７に示したようなＭＥＭＳ共振器１３の共振周波数−ゲインの対応関係からそのときのＭＥＭＳ共振器１３の共振周波数を導出する。そして、分周比制御部２２は、実施の形態１と同様にして、プログラマブル分周器２１４に設定されるべき分周比を決定する。
【００５６】
なお、図１６に示すようなゲインの温度特性５０４を示すＭＥＭＳ共振器１３であっても、本実施の形態のＭＥＭＳ発振器２００を構成することが可能である。この場合、ＭＥＭＳ共振器１３のゲインと増幅器１２のゲインの対応関係は、同図に示す曲線５０５のように、温度上昇に伴って単調に減少する曲線となる。
【００５７】
（補正部の第１変形例）
図１７は、ＭＥＭＳ発振器１００および２００に適用可能な、補正部２の第１の変形例を示す図である。本変形例においては、ＰＬＬ周波数シンセサイザ２１の前段に、原発振信号の周波数を１／Ｒに分周する分周器３１が配置される。このように、分周器３１を用いて原発振信号の周波数を分周してからＰＬＬ周波数シンセサイザ２１へ入力することにより、原発振信号の周波数と出力信号の周波数とが同程度のオーダである場合でも、原発振信号の周波数の補正を精緻に行うことが可能になる。また、同図において破線で示すように、分周器３１を第２のプログラマブル分周器で構成し、分周比制御部２２が分周器３１の分周比を制御するように構成してもよい。この場合、補正部２は、分周比制御部２２の制御の下、原発振信号の周波数を任意の実数倍の周波数に精緻に補正することが可能である。
【００５８】
（補正部の第２変形例）
図１８は、ＭＥＭＳ発振器１００および２００に適用可能な、補正部２の第２の変形例を示す図である。本変形例においては、ＰＬＬ周波数シンセサイザ２１の前段に、原発振信号の周波数をＲ倍する逓倍器３２が配置される。このように、逓倍器３２を用いて原発振信号の周波数を逓倍してからＰＬＬ周波数シンセサイザ２１へ入力することにより、原発振信号の周波数の周波数に較べて出力信号の周波数が十分小さいような場合でも、原発振信号の周波数の補正を精緻に行うことが可能になる。また、変形例１と同様、破線で示すように、逓倍器３２をプログラマブル逓倍器で構成し、分周比制御部２２が逓倍器３２の逓倍比を制御するように構成してもよい。この場合も、補正部２は、分周比制御部２２の制御の下、原発振信号の周波数を任意の実数倍の周波数に精緻に補正することが可能である。
【００５９】
なお、補正部２は、ＰＬＬ周波数シンセサイザ２１の後段（ＶＣＯ２１３の出力が入力される側）に、さらに、分周器あるいは逓倍器を備えてもよい。
【００６０】
（実施の形態１のＭＥＭＳ発振器の変形例）
図１９は、実施の形態１によるＭＥＭＳ発振器１００の変形例を示す図である。ＭＥＭＳ発振器変形例１１００は、ＭＥＭＳ発振器１００の構成に加え、温度センサ１１０１を有する。温度センサ１１０１の出力は、分周比制御部２２へ入力される。
【００６１】
図８に示すように、所定の温度Ｔ以下の温度領域６０２においては、温度変化によるＭＥＭＳ共振器１３の出力レベルの変化は、他の温度領域に較べて小さい。そこで、所定の温度Ｔ以下においては、分周比制御部２２は、温度センサ１１０１の出力を用いて分周比制御信号を生成してもよい。そうすることで、ＭＥＭＳ発振器１１００は、ＭＥＭＳ共振器１３の出力のレベルの温度変化による変動が比較的小さい温度領域においても、高品質な出力信号を安定的に出力することが可能である。
【００６２】
なお、ＭＥＭＳ共振器１３の出力レベルが温度上昇に伴って単調増加する場合（図１３の特性７０１のような場合）、所定の温度Ｔ’以上の温度領域７０２においては、温度変化によるＭＥＭＳ共振器１３の出力レベルの変化は、他の温度領域に較べて小さい。そこで、所定の温度Ｔ’以上においては、分周比制御部２２は、温度センサ１１０１の出力を用いて分周比制御信号を生成してもよい。
【００６３】
（実施の形態２のＭＥＭＳ発振器の変形例）
図２０は、実施の形態２によるＭＥＭＳ発振器２００の変形例を示す図である。ＭＥＭＳ発振器変形例１２００は、ＭＥＭＳ発振器２００の構成に加え、温度センサ１１０１を有する。温度センサ１１０１の出力は、分周比制御部２２へ入力される。
【００６４】
図１５に示すように、所定の温度Ｔ’’以下の温度領域４０６においては、温度変化による増幅器１２のゲインの変化は、他の温度領域に較べて小さい。そこで、所定の温度Ｔ’’以下においては、分周比制御部２２は、温度センサ１１０１の出力を用いて分周比制御信号を生成してもよい。そうすることで、ＭＥＭＳ発振器１１００は、増幅器１２のゲインの温度変化による変動が比較的小さい温度領域においても、高品質な出力信号を安定的に出力することが可能である。
【００６５】
なお、増幅器１２のゲインが温度上昇に伴って単調減少する場合（図１６の特性５０５のような場合）、所定の温度Ｔ’’’以上の温度領域５０６においては、温度変化による増幅器１２のゲインの変化は、他の温度領域に較べて小さい。そこで、所定の温度Ｔ’’’以上においては、分周比制御部２２は、温度センサ１１０１の出力を用いて分周比制御信号を生成してもよい。
【００６６】
（まとめ）
本実施の形態のＭＥＭＳ発振器は、ＭＥＭＳ共振器と、増幅器と、増幅器からの出力を一定に保つように増幅器のゲインを制御する自動利得制御器と、で構成された帰還型発振回路を備えた発振部、および、発振部から出力される原発振信号から所望の周波数の出力信号を生成して出力する補正部、を有する。
【００６７】
補正部は、周波数シンセサイザと、周波数シンセサイザのフィードバックに配置されたプログラマブル分周器の分周比を、ＭＥＭＳ共振器のゲインに基づいて制御する分周比制御部と、を備える。分周比制御部は、ＭＥＭＳ共振器のゲインの大きさに基づき、プログラマブル分周器の分周比を決定する。ＭＥＭＳ共振器のゲインの大きさは、その共振周波数と同様、温度依存性を有し、温度が変化することで単調に変化する。よって、ＭＥＭＳ共振器の共振周波数とゲインの大きさとは、互いに一方から他方を一意に求めることができる、一対一の対応関係にある。そのため、ＭＥＭＳ共振器のゲインの大きさから、そのときの共振周波数を知ることができる。分周比制御部は、当該対応関係に基づいてプログラマブル分周器の分周比を、ＭＥＭＳ共振器のゲインの時間変動を受けてリアルタイムに制御する。そうすることで、原発振信号の周波数の時間変動はリアルタイムに正確に補正され、ＭＥＭＳ発振器からは、常時、所望の周波数と一致した周波数を有する出力信号が出力される。
【００６８】
なお、分周比制御部は、ＭＥＭＳ共振器から増幅器へ帰還される信号を受けて、当該信号のレベルからＭＥＭＳ共振器のゲインを取得することが可能である。なぜなら、発振部においては、自動利得制御器の作用により増幅器からの出力は常時一定に保たれるため、ＭＥＭＳ共振器の帰還信号のレベル（電圧）は、ＭＥＭＳ共振器のゲインとよく対応するからである。
【００６９】
また、分周比制御部は、自動利得制御器から出力される、増幅器からの出力のレベルを一定に保つように増幅器のゲインを制御するための制御信号（振幅制限信号）をモニタリングすることで、ＭＥＭＳ共振器のゲインを取得することが可能である。なぜなら、発振部においては、自動利得制御器は、増幅器からの出力を一定レベルに保つように振幅制御信号を出力している。よって、振幅制御信号から、ＭＥＭＳ共振器から増幅器へ帰還される信号のレベル（すなわち、ＭＥＭＳ共振器のゲイン）を知ることができるからである。
【００７０】
上記実施の形態１および２のＭＥＭＳ発振器は、ＭＥＭＳ共振器の共振周波数の温度依存性に起因した、原発振信号の周波数の変動をよく補正し、所望の周波数の出力信号を常時安定して出力することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本実施の形態のＭＥＭＳ発振器が出力する出力信号は、常時安定した周波数を有するため、例えばクロックジェネレータ等の用途に有用である。
【符号の説明】
【００７２】
１    発振部
２    補正部
１１    自動利得制御器
１２    増幅器
１３    ＭＥＭＳ共振器
２１    周波数シンセサイザ
２２    分周比制御部
１１１    ピークホールド回路
１１２    基準電圧入力端子
１１３    コンパレータ
２１１    位相比較器
２１２    ループフィルタ
２１３    電圧制御発振器
２１４    プログラマブル分周器
２２１    信号生成部
２２２    テーブルメモリ
２２３    信号生成部
２２４    分周比演算部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【国際調査報告】
2012017572.tif 000026
2012017572.tif 000027
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