(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振回路を形成する発振用コンデンサを水晶振動子の両端側にそれぞれ接続して基準電位に接地した水晶発振器において、前記発振用コンデンサに対して切り替え自在の調整容量を並列に接続するとともに前記発振用コンデンサ及び前記調整容量からなる並列回路と前記水晶振動子の両端との間に電圧可変容量素子を挿入してなり、前記調整容量は第１コンデンサと、第１スイッチング素子と、第２スイッチング素子と第２コンデンサの直列回路との並列回路からなることを特徴とする電圧制御型の水晶発振器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は小型な水晶発振器を産業上の技術分野とし、特に発振周波数の可変範囲（幅）を大きくしてＩＣ化を促進する表面実装用の水晶発振器（表面実装発振器とする）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
（発明の背景）表面実装発振器は小型・軽量であることから、特に携帯電話等の携帯機器に周波数及び時間の基準源として採用される。近年では、一層の小型化（例えば平面外形が4×2.5ｍｍ以下）から水晶片の大きさも小さくなって、発振周波数の可変幅も少なく、この改善が求められている。
【０００３】
（従来技術の一例）第７図は一従来例を説明する表面実装発振器の断面図である。
表面実装発振器は、例えば容器本体１の凹部底面にフェースダウンボンディングによってＩＣチップ２を、段部に水晶片３の一端部両側を導電性接着剤４によって固着し、カバー５を被せてなる。
【０００４】
ＩＣチップ２は、水晶振動子３Ａ（水晶片３）を除く発振回路を集積化し、例えば温度補償機構等をも内蔵する。発振回路は、基本的に水晶振動子３Ａの両端側にそれぞれコンデンサ６（ａｂ）を接続して基準電位ここではアース電位に接地し、共振回路を形成する。そして、共振回路の共振周波数をＣ−ＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型の反転（インバータ）増幅器７によって帰還増幅してなる。図中の符号８は帰還抵抗である。
【０００５】
このようなものでの発振周波数は、概ね共振回路の共振周波数に依存し、厳格には水晶振動子３Ａから見た増幅器７等を含めた直列等価容量（所謂負荷容量）によって決定される。すなわち、水晶振動子３Ａをインダクタ成分として、発振用コンデンサ６（ａｂ）を主とした回路側の容量成分とで決定される直列共振周波数になる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
（従来技術の問題点）しかしながら、上記構成の表面実装振動子では水晶片３（水晶振動子３Ａ）の大きさが小さくなると、発振周波数の発振可能な可変幅（量）が少なくなる。したがって、水晶振動子３Ａ（水晶片３）１個では発振周波数をカバーする領域が小さくなって、水晶片３の品揃えを多くしなければならず、生産性を低下させる問題があった。
【０００７】
すなわち、発振周波数ｆは水晶振動子の直列共振周波数ｆsとの差Δｆ（＝ｆ−ｆs）を、直列共振周波数ｆsで除した周波数偏差Δｆ／ｆsをもって表され、これは次式（１）で示される。但し、Ｃ0は水晶片３の等価並列容量（電極間容量）、Ｃ1は等価直列容量、ＣLは負荷容量である。
Δｆ／ｆs＝Ｃ1／２（Ｃ0＋ＣL）・・・・（１）
【０００８】
そして、水晶片３の大きさ（板面面積）が小さくなると、等価並列容量Ｃ0は一定の電極面積を必要とするために殆ど変わらず、等価直列容量Ｃ1が小さくなる。したがって、周波数偏差Δｆ／ｆsも小さくなり、（１）式から理解されるように発振可変領域（幅）が狭くなる。このことから、水晶片３の品揃えを多くしなければならず、生産性を低下させる問題があった。
【０００９】
（発明の目的）本発明は、周波数可変領域を大きくして集積化を容易にした水晶発振器を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、特許請求の範囲（請求項１）に示したように、共振回路を形成する発振用コンデンサを水晶振動子の両端側にそれぞれ接続して基準電位に接地した水晶発振器において、前記発振用コンデンサに対して切り替え自在の調整容量を並列に接続するとともに前記発振用コンデンサ及び前記調整容量からなる並列回路と前記水晶振動子の両端との間に電圧可変容量素子を挿入してなり、前記調整容量は第１コンデンサと、第１スイッチング素子と、第２スイッチング素子と第２コンデンサの直列回路との並列回路からなる構成とする。なお、本構成は拒絶理由通知に対する補正であって、第３実施例に対応する構成であり、第１及び第２実施例は参考として記載したままにする。
【００１１】
【作用】
本発明では、調整容量を切り替えることにより、水晶振動子から見た直列等価容量を変化させる。そして、発振用コンデンサに対して調整容量を並列に接続するので、直列に接続する場合に比較して容量変化を大きくする。以下、本発明の各実施例を説明する。
【００１２】
【第１実施例】
第１図は本発明の一実施例を説明する表面実装発振器の回路図である。なお、前従来例と同一部分には同番号を付与してその説明は簡略又は省略する。
表面実装振動子は、前述したように容器本体１の凹部底面に発振用のコンデンサ６（ａｂ）及び相補型の反転増幅器７等を集積化したＩＣチップ２を、段部に水晶片３を固着し、カバー５を被せてなる（前第７図参照）。
【００１３】
そして、この実施例では、水晶振動子３Ａと発振用のコンデンサ６（ａｂ）の間にそれぞれに対して並列となる調整容量９を接続する。調整容量９は切り替え自在とし、例えば第１コンデンサ１０と、第２コンデンサ１１とスイッチング素子１２の直列回路との並列回路からなる。
【００１４】
スイッチング素子１１はＭＯＳ−ＦＥＴからなる。そして、ゲートにオン（１）信号が入力中、ソース・ドレイン間を導通状態にし、オフ（０）信号が入力中は非導通状態とする。これらは、第１及び第２コンデンサ１０、１１を含めて、反転増幅器７等とともに同一ＩＣチップ内に集積化される。
【００１５】
このようなものでは、水晶振動子３Ａから見た容量成分（直列等価容量）は、第２図に示したように、概ね発振用コンデンサ６（ａｂ）の合成コンデンサ６と調整容量９との並列回路となる。すなわち、水晶振動子３Ａから見た等価直列容量はＣ6＋Ｃ9となる。但し、Ｃ6は合成コンデンサの、Ｃ9は調整容量９の容量である。なお、実際には、インバータ増幅器７及び帰還抵抗８による容量成分が付加されるが、ここでは、便宜的に省略する。
【００１６】
そして、先ず、調整容量９のスイッチング素子１１をオフの状態にすると、第１コンデンサ１０のみが導通する。したがって、調整容量９は第１コンデンサ１０の容量Ｃ10のみとなる。これにより、等価直列容量はＣ6＋Ｃ10となる。
【００１７】
次に、スイッチング素子１１をオンの状態にすると、第２コンデンサ１１も導通する。したがって、調整容量９は第１及び第２コンデンサ１０、１１の容量Ｃ10、Ｃ11の和となる。これにより、等価直列容量はＣ6＋（Ｃ10＋Ｃ11）となる。
【００１８】
このような構成であれば、調整容量９を選択することによって等価直列容量を可変するので、発振周波数の可変幅を大きくできる。なお、スイッチング素子１１をオンにしたときには等価直列容量を大きくするので、発振周波数を低い領域に移行する。
【００１９】
また、調整容量９は発振用コンデンサ６（ａｂ）の合成コンデンサ６に並列接続する。したがって、調整容量９の変化分がそのまま等価直列容量の変化分となり、合成コンデンサ６に直列に接続した場合に比較して変化量を大きくできる。
【００２０】
例えば発振用コンデンサ６（ａｂ）をそれぞれ10ｐＦ（合成容量Ｃ6が５ｐＦ）として発振させる。次に、切り替えにより10ｐＦの容量を直列に接続したとすると合成直列容量は33.3ｐＦになる。すなわち、3.3ｐＦの増加になる。
【００２１】
これに対して、本実施例では、条件を同じにするため、先ず発振用コンデンサ６（ａｂ）をそれぞれ５ｐＦ（合成容量Ｃ6が2.5ｐＦ）にする。そして、調整容量９の第１コンデンサ１０を2.5ｐＦにする。これにより、発振させれば先と同一周波数で発振する。次に、第２コンデンサ１１を先と同様に10ｐＦとして第１コンデンサ１０に並列に接続すると、合成並列容量は15ｐＦになる。すなわち、10ｐＦの増加となる。
【００２２】
これらを比較すると、直列に接続した場合には合計で30ｐＦの容量を必要とし、変化量は3.3ｐＦとなる。これに対し、本実施例の並列に接続した場合には20ｐＦの容量となり、その変化量は10ｐＦとなる。したがって、この場合には、合計容量を１／３にして、しかも変化量を3.3倍にする。これらのことから、本実施例ではＩＣチップの板面面積を小さくできるので、容量（コンデンサ）を集積化し易くなる。
【００２３】
【第２実施例】
第３図は本発明の第２実施例を説明する表面実装発振器の回路図で、特に電圧制御型とした場合の回路図である。なお、前実施例と同一部分の説明は省略又は簡略する。
すなわち、この実施例では、水晶振動子３Ａの端子間に第１コンデンサ１０と第２コンデンサ及びスイッチング素子１２からなる前述の調整容量９を接続するとともに、前述した発振用コンデンサ６（ａｂ）を電圧可変容量素子１３（ａｂ）に置換する。
【００２４】
但し、電圧可変容量素子１３（ａｂ）のアノードをアース電位に接地する。そして、電圧可変容量素子１３（ａｂ）のカソードに制御電圧Ｖcを印加する構成とする。制御電圧Ｖcは例えば水晶発振器の温度特性を補償して平坦にする温度補償電圧とする。なお、符号１５（ａｂ）は直流阻止のコンデンサである。
【００２５】
このような構成であれば、水晶振動子３Ａからの容量成分は、第４図に示したように、調整容量９及び電圧可変容量素子１３（ａｂ）の合成電圧可変容量素子１３の並列回路になる。
【００２６】
そして、前第１実施例と同様に、調整容量９における第２コンデンサ１１（スイッチング素子１２）の導通を選択することによって、水晶振動子３Ａから見た等価直列容量を可変する。したがって、発振周波数の可変幅を大きくできる。そして、発振周波数を選択した上で、電圧制御によりさらに制御できる。但し、調整容量９の選択による発振周波数の可変幅の方が、電圧制御による可変幅よりも大きい。また、合成電圧可変容量素子１３及び直流阻止の合成コンデンサ１５に対して並列に接続するので、前述のように変化量を大きくできて集積化（ＩＣ化）しやすい。
【００２７】
さらに、ここでは、直流阻止のコンデンサ１５（ａｂ）を、水晶振動子３Ａと発振用の電圧可変容量素子１３（ａｂ）とが形成する共振ループ外として、水晶振動子３Ａに並列に接続する。したがって、共振ループ内に直列に挿入した場合に比較し、制御電圧Ｖcがインバータ増幅器７に印加されないように単に直流を阻止すればよいので、その値を小さくできる。したがって、集積化を促進する。
【００２８】
なお、直流阻止のコンデンサ１５（ａｂ）が共振ループ内にあった場合には、直流を阻止するのみならず、高周波を通過させるべくその値を大きくする必要がある。したがって、この場合には、集積化を阻害する。
【００２９】
【第３実施例】
第５図は本発明の第３実施例を説明する表面実装発振器の回路図で、前第２実施例と同様に電圧制御型とした場合の回路図である。なお、前実施例と同一部分の説明は省略又は簡略する。
前第２実施例では、発振用コンデンサ６（ａｂ）に代えて、電圧可変容量素子１３（ａｂ）をそのまま置換して共振回路を形成し、電圧制御型とした。しかし、この場合、電圧可変容量素子１３（ａｂ）と調整容量９とが並列接続となる。したがって、電圧可変容量素子１３（ａｂ）の電圧に対する容量変化が可変容量９によって実質的に小さくなる。
【００３０】
例えば合成電圧可変容量素子１３の電圧無印加時の容量をＸ、印加時の容量増加分をΔＸとすると、これ自体の容量変化率はΔＸ／Ｘとなる。しかし、調整容量９が並列に接続すると変化率はΔＸ／（Ｘ＋Ｃ9）となる。したがって、制御電圧Ｖcに対する容量変化率が小さくなるので、結果として周波数変化率も小さくなり、効率を低下させる。第３実施例ではこれを改善するものである。
【００３１】
これらのことから、第３実施例では、前第１図（第１実施例）に示した発振回路、即ち発振用コンデンサ６（ａｂ）と調整容量９の並列回路が水晶振動子３Ａの両端側に接続した回路を適用する。但し、ここでの調整容量９は、前述した第１コンデンサ１０と、第２コンデンサ１１とスイッチング素子（第２スイッチング素子とする）１２の直列回路と、新たに設けた第１スイッチング素子１６との並列回路とする。
【００３２】
そして、発振用コンデンサ６（ａｂ）と調整容量９との並列回路と水晶振動子の接続端子間に電圧可変容量素子１３（ａｂ）をそれぞれ接続する。そして、アノード側に制御電圧Ｖcとしての例えば温度補償電圧Ｖc1を、カソード側に自動周波数制御（ＡＦＣ）回路からの周波数制御電圧Ｖc2を、高周波阻止抵抗１４（ａｂｃｄ）を経て印加する。なお、符号１５（ａｂ）は前述同様の直流阻止のコンデンサである。
【００３３】
このような構成であれば、水晶振動子３Ａからの容量成分は、第６図に示したように、調整容量９及び発振用コンデンサ６（ａｂ）の合成コンデンサ６の並列回路と、合成コンデンサ６と調整容量９との接続端子間に接続した電圧可変容量素子１３とからの回路になる。
【００３４】
したがって、前第２実施例の並列に接続した場合に比較して、電圧可変容量素子１３（ａｂ）の容量が合成コンデンサ６と調整容量９の総和に対して小さいため、電圧可変容量素子１３（ａｂ）の容量変化が支配的となり、調整容量９を調整しても容量の変化率は殆ど変わらない。
【００３５】
なお、調整容量９の第１スイッチング素子１６が導通した場合には、調整回路９の並列回路が短絡して発振用コンデンサ６（ａｂ）が機能しなくなるが、電圧可変容量１３（ａｂ）が発振用コンデンサとして機能する。そして、電圧可変容量素子１３（ａｂ）の容量の変化率が、直列にも並列にも接続されないので最も大きくなる。但し、前述のように大差はない。
【００３６】
そして、この実施例の場合においても、調整容量９の第１及び第２スイッチング素子１６、１２を選択することによって、水晶振動子３Ａから見た直列等価容量を可変する。すなわち、調整容量９の第１スイッチング素子１６をオン状態で並列回路を短絡させたとき、調整容量９が最大（無限大）となるので、水晶振動子３Ａから見た等価直列容量を最も大きくする。したがって、発振周波数を低域領域とする。
【００３７】
次に、第１スイッチング素子１６をオフとして、第２スイッチング素子１２をオンしたとき、調整容量９がＣ10＋Ｃ11となるので、等価直列容量を先に比べて小さくする。したがって、発振領域を中域領域とする。最後に、第１及び第２スイッチング素子１６、１２をともにオフとして第１コンデンサ１０のみを導通させたとき、調整容量９が最小（Ｃ10）となるので、等価直列容量を最も小さくする。したがって、発振周波数が高域領域となる。そして、これらを選択することによって、発振周波数を各領域に移行できる。
【００３８】
これらのことから、調整容量９を選択することにより、発振周波数の可変幅を大きくできる。そして、調整容量９を発振用コンデンサ６（ａｂ）に対して並列に接続したので、容量値を小さくできてＩＣ化を促進できる。
【００３９】
なお、この実施例において、制御電圧Ｖcを温度補償電圧Ｖc1と周波数制御電圧Ｖc2をアノード及びカソードに印加したが、例えば温度補償電圧Ｖc1をアノードに印加してカソードに固定電圧を印加してもよい。また、温度補償電圧Ｖc1に拘わらず、制御電圧Ｖcを印加してもよいことは勿論である。さらには、電圧可変容量素子１３（ａｂ）を単なるコンデンサとしても、発振できる。
【００４０】
また、第２及び第３実施例の電圧可変容量素子１３（ａｂ）はいずれか一方であったとしても動作する。また、各実施例において表面実装発振器として説明したが、回路自体はいずれの発振器にも適用できる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明は、共振回路を形成する発振用コンデンサを水晶振動子の両端側にそれぞれ接続して基準電位に接地した水晶発振器において、前記発振用コンデンサに対して切り替え自在の調整容量を並列に接続するとともに前記発振用コンデンサ及び前記調整容量からなる並列回路と前記水晶振動子の両端との間に電圧可変容量素子を挿入してなり、前記調整容量は第１コンデンサと、第１スイッチング素子と、第２スイッチング素子と第２コンデンサの直列回路との並列回路からなるので、周波数可変領域を大きくして集積化を容易にした電圧制御型の水晶発振器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を説明する表面実装発振器の回路図である。
【図２】本発明の一実施例を説明する表面実装発振器の容量成分を抽出した回路図である。
【図３】本発明の他の実施例を説明する表面実装発振器の電圧制御型とした回路図である。
【図４】本発明の他の実施例を説明する表面実装発振器の容量成分を抽出した回路図である。
【図５】本発明さらに他の実施例を説明する表面実装発振器の電圧制御型とした回路図である。
【図６】本発明のさらに他の実施例を説明する表面実装発振器の容量成分を抽出した回路図である。
【図７】従来例を説明する表面実装発振器の断面図である。
【図８】従来例を説明する表面実装発振器の回路図である。
【符号の簡単な説明】
１  容器本体、２  ＩＣチップ、３  水晶片、３Ａ  水晶振動子、４  導電性接着剤、５  カバー、６  発振用コンデンサ、７  反転増幅器、８  帰還抵抗、９  調整容量、１０  第１コンデンサ、１１  第２コンデンサ、１２、１６  スイッチング素子、１３  電圧可変容量素子、１４  高周波阻止抵抗、１５  直流阻止コンデンサ．
【図１】
0003923285.tif 000002
【図２】
0003923285.tif 000003
【図３】
0003923285.tif 000004
【図４】
0003923285.tif 000005
【図５】
0003923285.tif 000006
【図６】
0003923285.tif 000007
【図７】
0003923285.tif 000008
【図８】
0003923285.tif 000009