(57)【要約】【課題】安定駆動に達するまでの時間を短縮した圧電発振器を提供する。【解決手段】本発明の水晶発振器（圧電発振器）５０は、水晶振動子（圧電振動子）１と、水晶振動子１に接続されて発振ループを形成して発振信号を出力する水晶発振部（圧電発振部）２４、及び水晶発振部２４の起動時に自励発振する自励発振部２５により構成された発振回路と、を備え、自励発振部２５の周波数が水晶発振部２４の周波数よりも高く設定されている。尚、自励発振部２５は、複数のコンデンサー（容量素子）Ｃ、インバーター５及び抵抗素子４により構成され、複数のコンデンサーＣの合成容量の値を調整するために、調整手段６を備えている。【選択図】図１
2012178780.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電振動子と、
該圧電振動子に接続されて発振ループを形成する圧電発振部、及び前記発振ループ中に挿入されて前記圧電発振部の起動時に自励発振する自励発振部により構成された発振回路と、を備え、
前記自励発振部の発振周波数を前記発振信号の発振周波数よりも高く設定したことを特徴とする圧電発振器。
【請求項２】
前記自励発振部は、容量素子と、増幅手段と、抵抗素子と、前記容量素子の容量値、または前記抵抗素子の抵抗値を調整する調整手段と、を備え、
前記自励発振部の発振周波数を調整可能にしたことを特徴とする請求項１に記載の圧電発振器。
【請求項３】
前記自励発振部は、複数の前記容量素子を有し、
前記調整手段は、前記複数の前記容量素子の中から任意の数の前記容量素子を選択して前記自励発振部に接続する容量選択手段と、前記容量選択手段を駆動する信号を生成する駆動信号生成手段と、を備えていることを特徴とする請求項２に記載の圧電発振器。
【請求項４】
前記自励発振部は、複数の前記抵抗素子を有し、
前記調整手段は、前記複数の前記抵抗素子の中から任意の数の前記抵抗素子を選択して前記自励発振部に接続する抵抗選択手段と、前記抵抗選択手段を駆動する信号を生成する駆動信号生成手段と、を備えていることを特徴とする請求項２または３に記載の圧電発振器。
【請求項５】
前記自励発振部はターマン型発振回路であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の圧電発振器。
【請求項６】
前記発振回路から出力される発振信号の周波数を検出する周波数検出手段と、
前記自励発振部の最適周波数を記憶する周波数記憶手段と、
前記周波数検出手段により検出された周波数と前記周波数記憶手段に記憶された前記最適周波数とを比較する周波数比較手段と、
該周波数比較手段により比較した周波数差に基づいて前記駆動信号生成手段を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする請求項３乃至５の何れか一項に記載の圧電発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電発振器に関し、さらに詳しくは、圧電振動子に駆動振動を励振する自励発振回路の周波数を最適化する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、圧電振動子に駆動振動を励振する自励発振回路を備えた圧電発振器が知られている。特許文献１には、圧電振動子に駆動振動を励振し、圧電振動子に印加される物理量を検出するのに際して、振動状態が安定化するまでの立ち上がり時間を短くするために、振動子に駆動振動を励振する自励発振回路を備え、この自励発振回路をＣＲ発振回路により構成して、矩形波の起動信号を圧電振動子に与えて圧電振動子を起動する駆動方法について開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２８６５０３公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に開示されている従来技術は、自励発振回路にＣＲ発振回路が使用されているため、コンデンサーの容量値と抵抗の抵抗値のばらつきにより、圧電振動子の共振周波数が大きくずれて安定した駆動に達するまでに多くの時間を要し、発振時の励振レベルのばらつきが大きくなるといった問題がある。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、自励発振回路にＣＲ発振回路を使用しても、ＣＲ発振回路の発振周波数を最適値になるようにＣＲを設定して、安定駆動に達するまでの時間を短縮した圧電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】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００６】
［適用例１］圧電振動子と、該圧電振動子に接続されて発振ループを形成する圧電発振部、及び前記発振ループ中に挿入されて前記圧電発振部の起動時に自励発振する自励発振部により構成された発振回路と、を備え、前記自励発振部の発振周波数を前記発振信号の発振周波数よりも高く設定したことを特徴とする。
【０００７】
自励発振回路を備えた圧電発振器は、起動時に自励発振回路が発振して圧電振動子を励振することにより、圧電振動子が励振して圧電振動子の振動数に引き込むことにより発振が起動される。しかし、自励発振回路の周波数が、圧電振動子の周波数より低いと発振が起動しない場合がある。そこで、本発明では、自励発振回路の周波数が発振信号の周波数よりも高く設定している。これにより、起動時の発振を安定させることができる。
【０００８】
［適用例２］前記自励発振部は、容量素子と、増幅手段と、抵抗素子と、前記容量素子の容量値、または前記抵抗素子の抵抗値を調整する調整手段と、を備え、前記自励発振部の発振周波数を調整可能にしたことを特徴とする。
【０００９】
自励発振回路は使用する部品のばらつきや、周囲温度の変動により、結果的に自励発振回路の周波数がずれることがある。周波数が低い方にずれると、発振が起動しない虞があり、周波数が高いほうにずれると、消費電力が増大してしまう。そこで本発明では、部品のばらつき、および周囲温度の変動に対応するために、自励発振回路の周波数を調整可能に構成した。これにより、部品のばらつきによる周波数変動を最小限にすることができる。
【００１０】
［適用例３］前記自励発振部は、複数の前記容量素子を有し、前記調整手段は、前記複数の前記容量素子の中から任意の数の前記容量素子を選択して前記自励発振部に接続する容量選択手段と、前記容量選択手段を駆動する信号を生成する駆動信号生成手段と、を備えていることを特徴とする。
【００１１】
自励発振回路にＣＲ発振回路を使用した場合、部品のばらつきや、周囲温度の変動によりコンデンサーの容量値と抵抗の抵抗値が変動して、結果的に自励発振回路の周波数がずれることになる。周波数が低い方にずれると、発振が起動しない虞があり、周波数が高いほうにずれると、消費電力が増大してしまう。そこで本発明では、コンデンサーの容量値と抵抗の抵抗値のそれぞれの値を調整することができる調整手段を備える。これにより、部品のばらつきによる周波数変動を抑えて、最適周波数を容易に設定することができる。
【００１２】
［適用例４］前記自励発振部は、複数の前記抵抗素子を有し、前記調整手段は、前記複数の前記抵抗素子の中から任意の数の前記抵抗素子を選択して前記自励発振部に接続する抵抗選択手段と、前記抵抗選択手段を駆動する信号を生成する駆動信号生成手段と、を備えていることを特徴とする。
【００１３】
ＣＲ発振回路は、コンデンサーの容量値と抵抗の抵抗値により周波数を設定する。本発明では、コンデンサーと抵抗を回路に接続する選択手段（スイッチ）と、そのスイッチをどのような組み合わせにするかを決定する駆動信号生成手段（例えば、メモリー）を備える。これにより、外部から任意のコンデンサーと抵抗の組み合わせを設定することができる。
【００１４】
［適用例５］前記自励発振部はターマン型発振回路であることを特徴とする。
【００１５】
ターマン型発振回路は、複数のインバーター、抵抗、及びコンデンサーにより構成される自励発振回路である。この回路の特徴は、抵抗、コンデンサーの値を適宜設定することにより、発振周波数を任意に設定することができる。そこで本発明では、コンデンサー（容量素子）、及び／又は、抵抗素子の夫々の値を調整する調整手段を備える。これにより、ターマン型発振回路の自励周波数を任意に調整することが可能となる。
【００１６】
［適用例６］前記発振回路から出力される発振信号の周波数を検出する周波数検出手段と、前記自励発振部の最適周波数を記憶する周波数記憶手段と、前記周波数検出手段により検出された周波数と前記周波数記憶手段に記憶された前記最適周波数とを比較する周波数比較手段と、該周波数比較手段により比較した周波数差に基づいて前記駆動信号生成手段を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１７】
自励発振回路の周波数を設定するには、検査工程で測定機を使用して人間が設定することができるが、それでは、検査工程に多くの時間を要して効率的でない。そこで本発明では、これらを自動化するために、フイードッバク系を発振器に備えて自動的に周波数を調整するものである。これにより、検査工程の削減と、発振回路の高速起動を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る水晶発振器の構成を示す図である。
【図２】（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る水晶発振器の構成を示す図、（ｂ）は調整手段の内部構成を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る水晶発振器の構成を示す図である。
【図４】本発明の第４の実施形態に係る水晶発振器の構成を示す図である。
【図５】本発明の自動調整機能付き水晶発振器を使用した場合の周波数と起動時間の関係を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００２０】
図１は本発明の第１の実施形態に係る水晶発振器の構成を示す図である。本発明の水晶発振器（圧電発振器）５０は、水晶振動子（圧電振動子）１と、水晶振動子１に接続されて発振ループを形成して発振信号を出力する水晶発振部（圧電発振部）２４、及び水晶発振部２４の起動時に自励発振する自励発振部２５により構成された発振回路と、を備え、自励発振部２５の周波数が水晶発振部２４の周波数よりも高く設定されている。尚、自励発振部２５は、複数のコンデンサー（容量素子）Ｃと、インバーター５（増幅手段）と、抵抗素子４と、複数のコンデンサーＣの合成容量の値を調整するための調整手段９を備えている。また、調整手段９は、複数のコンデンサーＣの中から任意の数のコンデンサーを選択するために、複数のアナログスイッチ８を有する選択手段６（容量選択手段）と、複数のアナログスイッチ８をＯＮ-ＯＦＦするための駆動信号を生成する駆動回路（駆動信号生成手段）７と、を備えている。また、水晶発振部２４は、インバーター２、及び抵抗素子３を直列に接続して構成されている。なお、駆動回路７は前記複数のアナログスイッチ８のＯＮ−ＯＦＦの設定情報を記憶するメモリーを有する。
【００２１】
本実施形態は、水晶振動子１を含む発振回路で、発振の起動時に水晶振動子の周波数と異なる周波数で自励発振する回路において、回路内のコンデンサーＣの値を調整できるようにした回路である。即ち、水晶振動子１の周波数ｆ１は予め分っているため、自励発振周波数が周波数ｆ１より高い周波数ｆ２になるようにコンデンサーＣの合成容量を決定する。決定の方法は、インバーター５の出力端子に周波数測定機を接続しておき、起動時の周波数がｆ２になるように駆動回路７によって各アナログスイッチ８のＯＮ-OFFを設定する。例えば、駆動回路７の出力端子ａ、ｂからの出力電圧がＨｉｇｈ電圧（論理レベルがＨｉｇｈとなる電圧）となるように設定して、駆動回路７の他の全ての出力端子からの出力電圧がＬｏｗ電圧（論理レベルがＬｏｗとなる電圧）となるように設定する。このとき、出力端子ａ、ｂに接続されたアナログスイッチ８のみがＯＮとなり、他のアナログスイッチ８はＯＦＦとなるので、インバーター5の入力と接地との間に2つのコンデンサーＣが並列接続されたことになり、この2つのコンデンサーCの合成容量と抵抗素子４の値で決まる周波数にて自励発振することになる。もし自励発振周波数が所望の周波数ｆ２（水晶振動子１の周波数ｆ１よりも高い所望の周波数）であれば、そのときの各アナログスイッチ８のＯＮ−ＯＦＦの設定情報を駆動回路７の内部のメモリに記憶する。
【００２２】
図２（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る水晶発振器の構成を示す図である。本発明の水晶発振器５１は、水晶振動子１と、水晶振動子１に接続されて発振ループを形成して発振信号を出力する水晶発振部２４、及び水晶発振部２４の起動時に自励発振する自励発振部２５により構成された発振回路と、を備え、自励発振部２５の周波数が水晶発振部２４の周波数よりも高く設定されている。尚、自励発振部２５は、コンデンサー（容量素子）Ｃ、インバーター５及び複数の抵抗素子Ｒにより構成され、複数の抵抗素子Ｒの合成抵抗値を調整するために、選択手段１０ａ、１０ｂ（抵抗選択手段）を備えている。また、選択手段１０ａ、１０ｂは、図２（ｂ）に示すように、複数の抵抗素子３２の中から任意の数の抵抗素子を選択するために、複数のアナログスイッチ３１を備え、調整手段９は、選択手段１０ａ、１０ｂと、アナログスイッチ３１の駆動信号を生成する駆動回路（駆動信号生成手段）７と、を備えている。また、水晶発振部２４は、インバーター２を備えている。
【００２３】
本実施形態は、水晶振動子１を含む発振回路で、発振の起動時に水晶振動子の周波数と異なる周波数で自励発振する回路において、回路内の抵抗素子Ｒの値を調整できるようにした回路である。即ち、水晶振動子１の周波数ｆ１は予め分っているため、周波数ｆ１より高い周波数ｆ２になるように抵抗素子３２の合成抵抗値を決定する。決定の方法は、インバーター５の出力端子に周波数測定機を接続しておき、起動時の周波数がｆ２になるように駆動回路７によって各アナログスイッチ３１のＯＮ-OFFを設定する。例えば、駆動回路７の出力端子ａ、及び出力端子ｂ（不図示）からの出力電圧がＨｉｇｈ電圧（論理レベルがＨｉｇｈの電圧）となるように設定して、他の全ての端子からの出力電圧がＬｏｗ電圧（論理レベルがＬｏｗとなる電圧）となるように設定する。このとき、出力端子ａ、及び出力端子ｂ(不図示)に接続された2つのアナログスイッチ３１のみがＯＮとなり、他のアナログスイッチ３１はＯＦＦとなるので、インバーター５の入出力間に２つの抵抗素子３２が並列に接続されたことになり、この２つの抵抗素子の合成抵抗値とコンデンサーＣの値で決まる周波数にて自励発振することになる。もし自励周波数が所望の周波数ｆ２（水晶振動子１の周波数ｆ１よりも高い所望の周波数）であれば、そのときの各アナログスイッチ３１のＯＮ−ＯＦＦの設定情報を駆動回路７の内部のメモリーに記憶する。
なお、選択手段１０ｂによっても自励発振周波数を調整することが可能であり、選択手段１０ａ、選択手段１０ｂの組合せによって自励発振周波数を調整しても良い。
或いは、選択手段１０ａと選択手段１０ｂのいずれか一方を備える構成としても良い。
【００２４】
以上のとおり、自励発振部２５を備えた水晶発振器５０、５１は、起動時に自励発振部２５が発振して水晶振動子１を励振することにより、水晶振動子１が励振して水晶振動子の振動数に引き込むことにより発振が起動される。しかし、自励発振部２５の周波数が、水晶振動子１の周波数より低いと発振が起動しない場合がある。そこで、本実施形態では、自励発振部２５の周波数が水晶発振部２４の周波数よりも高く設定している。これにより、起動時の発振を安定させることができ、自励発振周波数を水晶発振周波数に近い設定にすることで、より高速に自励発振状態から水晶発振状態に引き込むことができる。
【００２５】
また、自励発振部２５は使用する部品のばらつきや、周囲温度の変動により、結果的に自励発振部２５の周波数がずれることがある。周波数が低い方にずれると、発振が起動しない虞があり、周波数が高いほうにずれると、消費電力が増大してしまう。そこで本実施形態では、部品のばらつき、および周囲温度の変動に対応するために、自励発振部２５の周波数を調整可能に構成した。これにより、部品のばらつきによる周波数変動を最小限にすることができる。
また、自励発振部２５にＣＲ発振回路を使用した場合、部品のばらつきや、周囲温度の変動によりコンデンサーの容量値と抵抗の抵抗値が変動して、結果的に自励発振部２５の周波数がずれることになる。周波数が低い方にずれると、発振が起動しない虞があり、周波数が高いほうにずれると、消費電力が増大してしまう。そこで本実施形態では、コンデンサーと抵抗のそれぞれの値を調整することができる調整手段９、１０を備える。これにより、部品のばらつきによる周波数変動を抑えて、最適周波数を容易に設定することができる。
また、ＣＲ発振回路はコンデンサーの容量値と抵抗の抵抗値により周波数を設定する。本実施形態では、コンデンサーと抵抗を回路に接続するアナログスイッチ８、３１と、そのアナログスイッチ８、３１の駆動信号を生成する駆動回路７を備える。これにより、外部から任意のコンデンサーと抵抗の組み合わせを自由に選択できるようにし、自励発振周波数を最適な周波数に設定することができる。
【００２６】
図３は本発明の第３の実施形態に係る水晶発振器の構成を示す図である。本発明の水晶発振器（圧電発振器）５２は、自励発振部がターマン型発振回路２６であり、ターマン型発振回路２６を構成するコンデンサーＣ、及び／又は、抵抗素子Ｒの夫々の値を調整する調整手段９を備えた。尚、調整手段９は、図１及び図２に示す回路構成と同じである。即ち、ターマン型発振回路２６は、インバーター１１、１２、１３と、抵抗素子１４、１５と、抵抗値を選択する選択手段１０を直列に接続して構成されている。その出力をコンデンサーＣを介して水晶振動子１を励振する構成である。また、コンデンサーの容量を選択する選択手段６は、水晶振動子１の二つの端子とグランドとの間に配設されている。
即ち、ターマン型発振回路２６は、複数のインバーター１１、１２、１３、抵抗１４、１５、調整手段６、１０、及びコンデンサーＣにより構成される自励発振回路である。この回路の特徴は、抵抗Ｒ、コンデンサーＣの値を調整手段６、１０で適宜設定することにより、自励発振周波数を任意に設定することができる。そこで本実施形態では、コンデンサーＣ、及び／又は、抵抗素子Ｒの夫々の値を調整する調整手段６、１０を備える。これにより、ターマン型発振回路の自励発振周波数を任意に調整することが可能となる。
【００２７】
図４は本発明の第４の実施形態に係る水晶発振器の構成を示す図である。本発明の水晶発振器（圧電発振器）５３は、発振回路２８のバッファー１６から出力される発振信号１７の周波数を検出するカウンタ回路（周波数検出手段）１８と、自励発振部２５の最適周波数を記憶するメモリー（周波数記憶手段）２１と、カウンタ回路１８により検出された周波数ｆａとメモリー２１に記憶された最適周波数ｆｂとを比較する比較回路（周波数比較手段）１９と、比較回路１９により比較した周波数差に基づいて駆動回路２３に対してどのアナログスイッチ８を選択して駆動するかを指示する容量制御回路（制御手段）２０と、を備えて構成されている。尚、容量制御回路２０から、カウンター回路１８を停止するカウンタ停止信号２２が接続されている。この信号は、比較回路１９により周波数ｆａとｆｂの差が検出されて、その周波数差がゼロとなる容量に設定する信号が出力されたときに出力される。この理由は、自励発振部２８の周波数ｆａが最適周波数ｆｂになると、所定時間後に水晶振動子１の周波数ｆｘに引き込まれるため、カウンター回路１８が動作していると、再びカウントを開始して容量選択回路２３の信号を変化させてしまうためである。
【００２８】
次に本実施形態の水晶発振器５３の動作について説明する。初期状態では、予め容量選択回路２３には、水晶振動子２４の発振周波数より高い周波数となるように容量が選択されている。この状態で電源が投入されると、設定されたコンデンサーの容量と抵抗素子４の値で決定される周波数が自励発振部２５から出力される。その発振信号はバッファー１６を介してカウンター回路１８に入力される。カウンター回路１８はその信号をカウントして１秒当たりのパルス数を計数する。それにより周波数ｆａが分る。比較回路１９は、メモリー２１に記憶されている最適周波数ｆｂとｆａを比較する。従って出力としてはｆｂとｆａの差分が出力される。容量制御回路２０は、その差分に基づいて容量を選択する信号を駆動回路２３に出力する。駆動回路２３では、その信号に基づいて調整手段６内のコンデンサーＣを選択して自励発振部と接続する。その結果、発振周波数ｆａはｆｂと等しくなり、比較回路１９から差分がゼロであると出力されると、容量の設定を固定して、カウンター回路１８を停止するカウンター停止信号２２を出力する。その結果、水晶発振部２４は、周波数ｆｂにより励振されて、所定の時間後に水晶振動子１の周波数ｆｘにｆｂを引き込み、以後、水晶周波数ｆｘで発振する。尚、メモリー２１には、最適周波数を適宜設定することができる。また、これらの回路を集積化して、１つのＩＣチップで構成することが可能である。
自励発振部２５の周波数を設定するには、検査工程で測定機を使用して人間が設定することができるが、検査工程に多くの時間を要して効率的でない。そこで本実施形態では、これらを自動化するために、発振器の出力信号をフィードバックし、自励発振周波数を自動的に調整するものである。これにより、検査工程の削減と、発振回路の高速起動を実現することができる。
【００２９】
図５は本発明の自動調整機能付き水晶発振器を使用した場合の周波数と起動時間の関係を表す図である。縦軸に周波数、横軸に起動時間を示す。電源を投入すると、自励発振部は駆動回路２３に設定された容量Ｃと抵抗素子４の値で決定する周波数ｆａ（ａ点）で自励発振する。その周波数ｆａがカウンター回路１８に入力されて、最適自励周波数ｆｂになるようにａからｂに周波数が変化する。そして最適自励周波数ｆｂに達すると、所定の時間ｔ後に水晶周波数ｆｘに引き込まれて、以後、周波数ｆｘで発振を継続する。ここで、従来の回路構成の場合の起動時間（ｄ点）と本発明による起動時間（ｃ点）を比較すると、明らかに起動時間が短縮されているのが分る。つまり、起動時の自励発振周波数を水晶発振周波数より高く、かつ、近づけることで、より高速に水晶周波数での起動を実現できる。
【符号の説明】
【００３０】
１  水晶振動子、２  インバーター、３  抵抗素子、４  抵抗素子、５  インバーター、６  選択手段、７  駆動回路、８  アナログスイッチ、９  調整手段、１０  選択手段、１１〜１３  インバーター、１４、１５  抵抗素子、１６  バッファー、１７  発振器出力、１８  カウンター回路、１９  比較回路、２０  容量制御回路、２１  メモリー、２２  カウンター停止信号、２３  駆動回路、２４  水晶発振部、２５  自励発振部、２６  ターマン型発振回路、２７  水晶発振部、５０、５１、５２  本発明の水晶発振器
【図１】
2012178780.tif 000003
【図２】
2012178780.tif 000004
【図３】
2012178780.tif 000005
【図４】
2012178780.tif 000006
【図５】
2012178780.tif 000007