(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶発振器であって、
水晶振動子と、
前記水晶振動子に並列に接続された増幅器と、
前記水晶振動子とグランドとの間に設けられた第１コンデンサと、
前記水晶振動子とグランドとの間に設けられたインダクタと、
前記水晶振動子と前記インダクタとの間に前記インダクタに直列に接続され、導通状態か否かが切り替えられることにより、前記第１コンデンサと前記インダクタとが並列に接続された並列共振回路を構成させるか否かを切り替える第１ダイオードと、
前記インダクタと前記第１ダイオードとが直列に接続された第１直列回路と前記水晶振動子との間に設けられた、前記水晶発振器の負性抵抗を調整するための抵抗と直流成分を除去する第２コンデンサとを直列に接続した第２直列回路と、導通状態か否かが切り替えられることにより、前記第２直列回路を短絡させるか否かを切り替える第２ダイオードとが並列に接続された並列回路と、
前記第１ダイオード及び前記第２ダイオードを導通状態にするか否かを切り替えるための電圧が印加される入力端子と、
を備え、
前記第１ダイオード及び前記第２ダイオードが非導通状態において、前記第２直列回路を含む基本波発振回路が構成され、
前記第１ダイオード及び前記第２ダイオードが導通状態において、前記並列共振回路を含むオーバートーン発振回路が構成される、
水晶発振器。
【請求項２】
前記第１コンデンサは、前記水晶振動子とグランドとの間に複数設けられ、
前記第１直列回路は、前記複数の前記第１コンデンサのうちのいずれかのコンデンサに並列に接続される、
請求項１に記載の水晶発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水晶発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、水晶振動子の発振を、基本波による発振とオーバートーン発振とのいずれかに切り替えて発振させることが行われている。例えば、特許文献１には、水晶振動子の発振を基本波による発振とオーバートーン発振とのいずれかに切り替えるためのスイッチを有し、基本波による発振信号と、オーバートーン発振による発振信号とのいずれかを出力可能な水晶発振器を備えるＱＣＭ（Quartz Crystal Microbalance）センサが開示されている。
【０００３】
図５は、特許文献１に記載の従来の水晶発振器１００の構成を示す図である。図５に示されるように、従来の水晶発振器１００は、水晶振動子１０１と、コンデンサ１０２、１０３と、増幅器１０４と、抵抗１０５、１０６と、スイッチ１０７とを備える。コンデンサ１０２、１０３は、一端が水晶振動子１０１に接続されており、他端がグランドに接続されている。増幅器１０４は、水晶振動子１０１に並列に接続されている。抵抗１０５、１０６のそれぞれは、スイッチ１０７を介して増幅器１０４に並列に接続されている。スイッチ１０７は、増幅器１０４に、抵抗１０５と抵抗１０６とのいずれを接続させるかを切り替える。従来の水晶発振器１００では、抵抗１０５と抵抗１０６とのそれぞれの抵抗値を、基本波による発振に対応する抵抗値、及びオーバートーン発振に対応する抵抗値とし、これらの抵抗のいずれかを増幅器１０４に接続させることにより、水晶振動子１０１の発振を基本波による発振とオーバートーン発振とのいずれかに切り替えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１８４２５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の水晶発振器１００に設けられているスイッチ１０７には、機械的なスイッチや電気的なスイッチを適用することができる。しかしながら、機械的なスイッチを適用すると、水晶発振器１００が大型化してしまい、ＱＣＭセンサを小型化しにくくなるという問題が発生する。
【０００６】
電気的なスイッチとしては、ＭＯＳアナログスイッチが汎用的であるが、ＭＯＳアナログスイッチにおける信号損失を低減するためには、ある程度の面積が必要となり、ＱＣＭセンサを小型化しにくくなる。また、ＭＯＳアナログスイッチの面積を増加させると、ＭＯＳアナログスイッチとグランドとの間に数１０ｐＦの浮遊容量が発生し、水晶発振器１００の温度特性が劣化するという問題が発生する。
【０００７】
そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、小型化が可能であるとともに良好な温度特性を有する、発振信号の周波数を切替可能な水晶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】
【０００８】
本発明の第１の態様に係る水晶発振器は、水晶振動子と、前記水晶振動子に並列に接続された増幅器と、前記水晶振動子とグランドとの間に設けられた複数のコンデンサと、前記水晶振動子とグランドとの間に、コンデンサとインダクタとが並列に接続された並列共振回路を構成するか否かを切り替えるダイオードと、を備える。
【０００９】
前記インダクタと前記ダイオードとが直列に接続されることにより直列回路を形成し、前記直列回路は、前記複数のコンデンサのうちの一方のコンデンサに並列に接続されてもよい。
【００１０】
前記水晶発振器は、前記水晶振動子と前記直列回路との間に、抵抗と、前記抵抗を短絡させるか否かを切り替えるダイオードとが並列に接続された並列回路を更に備えてもよい。
前記水晶発振器は、前記抵抗に直列に接続されるコンデンサを更に備えてもよい。
【００１１】
前記水晶発振器は、コンデンサと前記ダイオードとが直列に接続された直列回路を更に備え、前記直列回路と前記インダクタとが並列に接続されることにより前記並列共振回路を形成し、前記複数のコンデンサのうちの一方のコンデンサに前記並列共振回路が接続されてもよい。
前記水晶発振器は、前記増幅器と前記水晶振動子とに接続される抵抗を更に備えてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、小型化が可能であるとともに良好な温度特性を有する、発振信号の周波数を切替可能な水晶発振器を提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態に係る水晶発振器の構成を示す図である。
【図２】第１実施形態に係る水晶発振器の回路側実部インピーダンスを示す図である。
【図３】第２実施形態に係る水晶発振器の構成を示す図である。
【図４】第２実施形態に係る水晶発振器の回路側実部インピーダンスを示す図である。
【図５】従来の水晶発振器の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る水晶発振器１の構成を示す図である。水晶発振器１は、水晶振動子Ｘ１と、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３及びＣ４と、インダクタＬ１と、ダイオードＤ１及びＤ２と、抵抗Ｒ１、Ｒ２及びＲ３と、増幅器Ａ１とを備える。
【００１５】
水晶振動子Ｘ１は、例えば、ＡＴカットの水晶振動子であり、基本波で発振するとともに、３次オーバートーンで発振する。本実施形態において、基本波による発振周波数は１０．２ＭＨｚ、３次オーバートーンによる発振周波数は３０．６ＭＨｚであるものとする。水晶振動子Ｘ１とグランドとの間には、複数のコンデンサとしてコンデンサＣ１及びＣ２が設けられている。
【００１６】
コンデンサＣ１は、一端が水晶振動子Ｘ１に接続されているとともに他端がグランドに接続されている。
コンデンサＣ２は、一端がダイオードＤ１及びコンデンサＣ４を介して水晶振動子Ｘ１に接続されているとともに他端がグランドに接続されている。コンデンサＣ１及びＣ２のそれぞれは、水晶振動子Ｘ１を発振させるための発振用のコンデンサである。
【００１７】
増幅器Ａ１及び抵抗Ｒ１のそれぞれは、水晶振動子Ｘ１に並列に接続されている。具体的には、増幅器Ａ１及び抵抗Ｒ１のそれぞれは、一端が水晶振動子Ｘ１の一端に接続されており、他端が、水晶振動子Ｘ１に直列に接続されているコンデンサＣ４の一端に接続されている。増幅器Ａ１は、例えばインバータであり、入力された信号を反転及び増幅して出力する。抵抗Ｒ１は、増幅器Ａ１によって増幅された信号の一部を逆位相で増幅器Ａ１の入力側に戻すために用いられる。
【００１８】
抵抗Ｒ２は、一端が水晶振動子Ｘ１に接続され、他端が入力端子Ｔ１に接続されている。抵抗Ｒ２は、ダイオードＤ１及びＤ２にバイアス電圧を印加するためのバイアス抵抗である。
入力端子Ｔ１には、ダイオードＤ１及びＤ２を導通状態にするか否かを切り替えるための電圧が印加される。具体的には、入力端子Ｔ１には、水晶振動子Ｘ１をオーバートーン発振させる際に所定の正電圧が印加され、水晶振動子Ｘ１を基本波で発振させる際には０Ｖ以下の電圧が印加される。
【００１９】
ダイオードＤ１は、アノードが水晶振動子Ｘ１に接続されており、カソードが、ダイオードＤ２のアノードとコンデンサＣ４に接続されている。ダイオードＤ１は、水晶振動子Ｘ１を基本波で発振させる際には、バイアス電圧は０Ｖ以下となるため、非導通状態である。また、ダイオードＤ１は、水晶振動子Ｘ１をオーバートーン発振させる際には、正のバイアス電圧が印加されることにより導通状態となる。
【００２０】
抵抗Ｒ３とコンデンサＣ３とは直列に接続され、直列回路を形成している。抵抗Ｒ３とコンデンサＣ３との直列回路は、ダイオードＤ１に並列に接続されている。
抵抗Ｒ３は、負性抵抗を調整するために用いられる。
コンデンサＣ３は、直流成分を除去する。具体的には、コンデンサＣ３は、水晶振動子Ｘ１をオーバートーン発振させる場合、すなわち、ダイオードＤ１が導通状態である場合に、抵抗Ｒ３を介してダイオードＤ１に電圧が印加されないようにする。
コンデンサＣ４は、一端がダイオードＤ１のカソードに接続され、他端がコンデンサＣ２に接続されており、直流成分を除去する。
【００２１】
ダイオードＤ２は、水晶振動子Ｘ１とグランドとの間に設けられている。具体的には、ダイオードＤ２は、アノードがダイオードＤ１のカソードに接続されており、カソードがインダクタＬ１に接続されている。ダイオードＤ２は、水晶振動子Ｘ１とグランドとの間に、コンデンサＣ２と、インダクタＬ１とが並列に接続された並列共振回路を構成するか否かを切り替える。ここで、コンデンサＣ２とインダクタＬ１との並列共振回路の共振周波数は、基本波の発振周波数と、オーバートーン発振の発振周波数との間に設定されるものとする。
【００２２】
続いて、水晶発振器１の動作について説明する。
水晶振動子Ｘ１を基本波で発振させる場合には、入力端子Ｔ１には０Ｖ以下の電圧が印加される。この場合、ダイオードＤ１及びＤ２は、非導通状態となる。ダイオードＤ２が非導通状態である場合、水晶振動子Ｘ１とグランドとの間には、コンデンサＣ２とインダクタＬ１との並列共振回路が構成されない。したがって、発振用の素子は、コンデンサＣ１及びＣ２となる。
【００２３】
また、ダイオードＤ１が非導通状態であるため、水晶振動子Ｘ１において発生した信号は、抵抗Ｒ３を通過する。したがって、水晶振動子Ｘ１を基本波で発振させる場合、３次オーバートーンの発振周波数における負性抵抗が減少する。なお、基本波の発振周波数における負性抵抗も減少するが、基本波の発振周波数における負性抵抗は元々大きいため、抵抗Ｒ３によって負性抵抗が減少しても、基本波による発振が維持される。これにより、水晶振動子Ｘ１は、安定して基本波で発振する。
【００２４】
水晶振動子Ｘ１をオーバートーン発振させる場合には、入力端子Ｔ１には所定の正電圧が印加される。この場合、ダイオードＤ１及びＤ２は、導通状態となる。ダイオードＤ２が導通状態である場合、水晶振動子Ｘ１とグランドとの間には、コンデンサＣ２とインダクタＬ１との並列共振回路が構成される。したがって、発振用の素子は、コンデンサＣ２とインダクタＬ１とから構成される並列共振回路、及びコンデンサＣ１となる。
【００２５】
ここで、コンデンサＣ２とインダクタＬ１とから構成される並列共振回路の共振周波数は、基本波の発振周波数と、オーバートーン発振の発振周波数との間に設定されることから、オーバートーン発振の発振周波数付近の負性抵抗が増加するとともに、基本波の発振周波数付近の負性抵抗は消滅する。これにより、水晶振動子Ｘ１は、安定してオーバートーン発振する。
【００２６】
図２は、第１実施形態に係る水晶発振器１の回路側実部インピーダンスを示す図である。図２において実線は、水晶振動子Ｘ１を基本波で発振させた場合のインピーダンスを示しており、破線は、水晶振動子Ｘ１をオーバートーン発振させた場合のインピーダンスを示している。
【００２７】
なお、水晶発振器１における、コンデンサＣ１、Ｃ２の容量値は３９ｐＦ、コンデンサＣ３、Ｃ４の容量値は０．０１μＦ、インダクタＬ１のインダクタンス値は１．８μＨ、抵抗Ｒ１の抵抗値は１ＭΩ、抵抗Ｒ２の抵抗値は１８ｋΩ、抵抗Ｒ３の抵抗値は６８０Ωであるものとする。
【００２８】
図２に示されるように、水晶振動子Ｘ１を基本波で発振させた場合には、基本波の周波数に対応する１０．２ＭＨｚ付近の負性抵抗が約１８００Ωであり、３次オーバートーンの周波数に対応する３０．６ＭＨｚ付近の負性抵抗が消滅していることが確認できる。よって、図２に示される水晶振動子Ｘ１を基本波で発振させた場合の負性抵抗特性からも、水晶発振器１が基本波で安定して発振することが確認できる。
【００２９】
また、図２に示されるように、水晶振動子Ｘ１をオーバートーン発振させた場合には、１０．２ＭＨｚ付近の負性抵抗は消滅し、３０．６ＭＨｚ付近から負性抵抗が約５００Ωとなっていることが確認できる。よって、図２に示される水晶振動子Ｘ１をオーバートーン発振させた場合の負性抵抗特性からも、水晶発振器１が安定してオーバートーン発振することが確認できる。
【００３０】
［第１実施形態の効果］
以上のとおり、第１実施形態に係る水晶発振器１は、水晶振動子Ｘ１とグランドとの間に、コンデンサＣ２とインダクタＬ１とが並列に接続された並列共振回路を構成するか否かを切り替えるダイオードＤ２を備える。このようにすることで、水晶発振器１は、水晶振動子Ｘ１を基本波で発振させる場合と、オーバートーン発振させる場合とのそれぞれの周波数における負性抵抗の値を変化させ、水晶振動子Ｘ１を基本波で発振させるか、オーバートーン発振させるかを切り替えることができる。また、並列共振回路を構成するか否かを、単極単投スイッチであるダイオードＤ２により切り替えるので、機械的なスイッチやＭＯＳアナログスイッチを用いる場合に比べて、スイッチの面積を少なくすることができる。また、ダイオードＤ２は、ＭＯＳアナログスイッチに比べて浮遊容量が小さいことから、ＭＯＳアナログスイッチを用いる場合に比べて、水晶発振器１の温度特性を良好にすることができる。
【００３１】
＜第２実施形態＞
続いて、第２実施形態について説明する。第２実施形態に係る水晶発振器２は、コンデンサとインダクタとの並列共振回路に係る回路構成が第１実施形態に係る水晶発振器１と異なり、その他の点では同じである。図３は、第２実施形態に係る水晶発振器２の構成を示す図である。第２実施形態に係る水晶発振器２は、水晶振動子Ｘ１１と、コンデンサＣ１１、Ｃ１２及びＣ１３と、インダクタＬ１１と、ダイオードＤ１１と、抵抗Ｒ１１、Ｒ１２及びＲ１３と、増幅器Ａ１１とを備える。
【００３２】
水晶振動子Ｘ１１は、第１実施形態に係る水晶振動子Ｘ１と同じ水晶振動子であり、基本波で発振するとともに、３次オーバートーンで発振する。水晶振動子Ｘ１１の基本波による発振周波数は１０．２ＭＨｚ、３次オーバートーンによる発振周波数は３０．６ＭＨｚであるものとする。水晶振動子Ｘ１１とグランドとの間には、複数のコンデンサとしてコンデンサＣ１１及びＣ１２が設けられている。
【００３３】
コンデンサＣ１１は、一端が水晶振動子Ｘ１１に接続され、他端がグランドに接続されている。
コンデンサＣ１２は、一端が水晶振動子Ｘ１１に接続され、他端が、ダイオードＤ１１及びコンデンサＣ１３の直列回路とインダクタＬ１１との並列共振回路を介してグランドに接続されている。コンデンサＣ１１及びＣ１２のそれぞれは、水晶発振器２において、水晶振動子Ｘ１１を発振させるための発振用のコンデンサである。
【００３４】
増幅器Ａ１１及び抵抗Ｒ１１のそれぞれは、水晶振動子Ｘ１１に並列に接続されている。具体的には、増幅器Ａ１１及び抵抗Ｒ１１のそれぞれは、一端が水晶振動子Ｘ１１の一端に接続されており、他端が、水晶振動子Ｘ１１の直列に接続されている抵抗Ｒ１３の一端に接続されている。増幅器Ａ１１は、例えばインバータであり、入力された信号を反転及び増幅して出力する。抵抗Ｒ１１は、増幅器Ａ１１によって増幅された信号の一部を逆位相で増幅器Ａ１１の入力側に戻すために用いられる。抵抗Ｒ１３は、水晶振動子Ｘ１１から見た負荷容量を大きくするために用いられるとともに、負性抵抗を調整するために用いられる。
【００３５】
抵抗Ｒ１２は、一端がダイオードＤ１１のアノード及びコンデンサＣ１３に接続され、他端が入力端子Ｔ１１に接続されている。抵抗Ｒ１２は、ダイオードＤ１１にバイアス電圧を印加するためのバイアス抵抗である。
入力端子Ｔ１１には、ダイオードＤ１１を導通状態にするか否かを切り替えるための電圧が印加される。入力端子Ｔ１１には、水晶振動子Ｘ１１をオーバートーン発振させる際に所定の正電圧が印加され、水晶振動子Ｘ１１を基本波で発振させる際には、０Ｖ以下の電圧が印加される。
【００３６】
ダイオードＤ１１は、アノードがコンデンサＣ１３に接続されており、カソードがコンデンサＣ１２及びインダクタＬ１１に接続されている。ダイオードＤ１１は、水晶振動子Ｘ１１を基本波で発振させる際には、０Ｖ以下の電圧が印加されるため、非導通状態である。また、ダイオードＤ１１は、水晶振動子Ｘ１１をオーバートーン発振させる際には、正のバイアス電圧が印加されることにより導通状態となる。
【００３７】
ダイオードＤ１１とコンデンサＣ１３とは直列に接続され、直列回路を形成している。当該直列回路とインダクタＬ１１とが、並列に接続されることにより並列共振回路が形成される。
【００３８】
続いて、水晶発振器２の動作について説明する。
水晶振動子Ｘ１１を基本波で発振させる場合には、入力端子Ｔ１１には０Ｖ以下の電圧が印加される。この場合、ダイオードＤ１１は、非導通状態となる。ダイオードＤ１１が非導通状態である場合、水晶振動子Ｘ１１とグランドとの間には、並列共振回路が構成されない。したがって、発振用の素子は、コンデンサＣ１２とインダクタＬ１１との直列共振回路の当該発振周波数における等価容量、及びコンデンサＣ１１となる。
【００３９】
水晶振動子Ｘ１１をオーバートーン発振させる場合には、入力端子Ｔ１１には所定の正電圧が印加される。この場合、ダイオードＤ１１は、導通状態となる。ダイオードＤ１１が導通状態である場合、水晶振動子Ｘ１１とグランドとの間には、コンデンサＣ１３とインダクタＬ１１との並列共振回路と、コンデンサＣ１２との直列共振回路が構成される。
【００４０】
ここで、コンデンサＣ１３とインダクタＬ１１とから構成される並列共振回路の共振周波数は、基本波の発振周波数と、オーバートーン発振の発振周波数との間に設定され、当該並列共振回路とコンデンサＣ１２との直列共振回路の共振周波数が、基本波の発振周波数に設定されることにより、基本波の発振周波数付近の負性抵抗が消滅する。これにより、水晶振動子Ｘ１１は、安定してオーバートーン発振する。
【００４１】
図４は、第２実施形態に係る水晶発振器２の回路側実部インピーダンスを示す図である。図４において実線は、水晶振動子Ｘ１１を基本波で発振させた場合のインピーダンスを示しており、破線は、水晶振動子Ｘ１１をオーバートーン発振させた場合のインピーダンスを示している。
【００４２】
なお、水晶発振器２における、コンデンサＣ１１の容量値は３９ｐＦ、コンデンサＣ１２の容量値は２７ｐＦ、コンデンサＣ１３の容量値は４７ｐＦ、インダクタＬ１１のインダクタンス値は３．９μＨ、抵抗Ｒ１１の抵抗値は１ＭΩ、抵抗Ｒ１２の抵抗値は２２ｋΩ、抵抗Ｒ１３の抵抗値は２２０Ωであるものとする。
【００４３】
図４に示されるように、水晶振動子Ｘ１１を基本波で発振させた場合には、基本波の周波数に対応する１０．２ＭＨｚ付近の負性抵抗が約１８００Ωであり、３次オーバートーンの周波数に対応する３０．６ＭＨｚ付近の負性抵抗が消滅していることが確認できる。よって、図４に示される水晶振動子Ｘ１１を基本波で発振させた場合の負性抵抗特性からも、水晶発振器２が基本波で安定して発振することが確認できる。
【００４４】
また、図４に示されるように、水晶振動子Ｘ１１をオーバートーン発振させた場合には、１０．２ＭＨｚ付近の負性抵抗が消滅し、３０．６ＭＨｚ付近の負性抵抗が約６００Ωであることが確認できる。よって、図４に示される水晶振動子Ｘ１１をオーバートーン発振させた場合の負性抵抗特性からも、水晶発振器２が安定してオーバートーン発振することが確認できる。
【００４５】
［第２実施形態の効果］
以上のとおり、第２実施形態に係る水晶発振器２は、コンデンサＣ１２に、コンデンサＣ１３とダイオードＤ１１とが直列に接続された直列回路と、インダクタＬ１１とが並列に接続された並列共振回路が接続される。このようにすることで、水晶発振器２は、第１実施形態に係る水晶発振器１と同様に、水晶振動子Ｘ１１を基本波で発振させるか、オーバートーン発振させるかを切り替えることができる。
【００４６】
また、並列共振回路を構成するか否かを、単極単投スイッチであるダイオードＤ１１により切り替えるので、第１実施形態に係る水晶発振器１と同様に、水晶発振器２の温度特性を良好にすることができる。
【００４７】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【００４８】
１・・・水晶発振器、Ｘ１・・・水晶振動子、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４・・・コンデンサ、Ｌ１・・・インダクタ、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３・・・抵抗、Ｄ１、Ｄ２・・・ダイオード、Ａ１・・・増幅器、Ｔ１・・・入力端子、２・・・水晶発振器、Ｘ１１・・・水晶振動子、Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１３・・・コンデンサ、Ｌ１１・・・インダクタ、Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３・・・抵抗、Ｄ１１・・・ダイオード、Ａ１１・・・増幅器、Ｔ１１・・・入力端子
【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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