JP2010147758A

JP2010147758A - 発振回路

Info

Publication number: JP2010147758A
Application number: JP2008322155A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Besso; 大介別荘
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2008-12-18
Filing date: 2008-12-18
Publication date: 2010-07-01
Also published as: CN102257725B; US20110226067A1; CN102257725A; WO2010070892A1; EP2369737A4; EP2369737A1; US8413523B2

Abstract

【課題】振動子の安定発振を早める発振回路に関する技術を提供するとともに、それを用いた超音波流量計を提供する。
【解決手段】共振周波数を有する振動子１と、前記振動子に接続されるアンプ２と、付勢パルス発生手段３と、前記付勢パルス発生手段３と前記振動子１およびアンプ２との接続・非接続とを切替える切替え手段４とを備え、前記振動子１の駆動初期は前記切替え手段４により、前記振動子１と前記付勢パルス発生手段３とを接続するようにした発振回路。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動子を用いた発振回路の駆動から安定発振までの時間を短縮する発振回路の技術に関する。

電池を用いた機器は、一般に省電力が要求される。例えば、電池を用いた超音波式の流量計は省電力化のために、流量計測精度が許容される範囲で断続的な動作をおこなう。超音波式の流量計は、超音波の伝播時間測定により流速を求め、これに配管断面積を掛け算することにより流量を算出する。超音波の伝播時間測定には、一定周期のパルスを用いて、超音波の送信から受信までの間にあるパルスの数をカウントして、そのパルスの数にパルスの周期を掛け算して求められる。断続的な流量計測を行う際は、当然ながら流量計測の停止時には、このパルスも停止できれば省電力になる。超音波の伝播時間測定に用いる一定周期のパルスはセラミック振動子や、水晶振動子の振動子を含む発振回路が用いられる。

しかしながら、これらの振動子は動作の開始から安定したパルスの発生までに時間を要するので、流量計測を開始する前から、あらかじめ発振回路をスタートしておくことが必要となる。このような発振回路のスタートを便宜上、コールドスタートと呼ぶことにする。そしてコールドスタートの期間が長いほど省電力の妨げとなる。

そこで、発振回路の安定動作を早めるための方法として、水晶振動子の振動子と、発振の信頼性を得るためのコンデンサや抵抗とアンプからなる発信の基本となる発振回路部と、温度補正機能のある電流源を有するリングオシレータとを用い、リングオシレータで振動子の発振周波数あうように調整されたパルスを発生させ、基本となる発振回路部にスタート初期からある一定の間、このパルスを与えることにより基本となる発振回路部の安定動作を早めているものがあった（例えば特許文献１参照）。これには基本となる発振回路部とリングオシレータの間には切替え回路が介在する。

このように、発振回路部のスタート初期に、外部から発振回路部にパルスを与えて発振回路部のスタートを早める方法を便宜上、ホットスタートと呼ぶことにする。

この方法は、発振回路部のスタートを早める有効な手段であるが、温度補正機能のある電流源を有するリングオシレータを有するなど回路構成が複雑になるという課題がある。

また、消費電力低減のために、超音波の伝播時間を計測するために用いるパルスを作る振動子を間欠動作で使用し、その振動子の振動を早める振動開始手段を備えた超音波流量計もあった（例えば特許文献２参照）。同文献には先に述べた特許文献１の方法が、超音波の伝播時間計測に用いるパルスの間欠動作に有効であることが記載されている。
米国特許第６８１９１９５号明細書国際公開第２００８／０８１６１０号パンフレット

しかしながら、上記の構成においては、発振回路部のスタート初期に、外部から発振回路部にパルスを与えて発振回路部のスタートを早めるために、温度補正機能のある電流源を有するリングオシレータなどを有するので、回路構成が複雑になるという課題がある。

本発明は、前述した課題を解決するためになされたもので、その目的は発振回路部の駆動初期に、外部から発振回路部にパルスを与えて発振回路部のスタートを早めるホットスタートの方法で、より簡素な回路構成で実現する技術を提供することである。

本発明の発振回路は、共振周波数を有する振動子と、前記振動子に接続されるアンプと、付勢パルス発生手段と、前記付勢パルス発生手段と前記振動子およびアンプとの接続・非接続とを切替える切替え手段とを備え、前記振動子の駆動初期は前記切替え手段により、前記振動子と前記付勢パルス発生手段とを接続するようにする。これにより、付勢パルス発生手段は振動子の共振周波数に近い付勢パルスを発生させるが、温度補正の必要もなく極めて簡素な回路構成でホットスタートが実現できる。

本発明によれば、共振周波数を有する振動子を有する発振回路の駆動開始から安定発振までの期間を短縮する簡素な方法が提供され、断続動作を行う回路動作において低消費電力を実現する方法が提供される。

本発明の発振回路は、共振周波数を有する振動子と、前記振動子に接続されるアンプと、付勢パルス発生手段と、前記付勢パルス発生手段と前記振動子およびアンプとの接続・非接続とを切替える切替え手段とを備え、前記振動子の駆動初期は前記切替え手段により、前記振動子と前記付勢パルス発生手段とを接続するようにする。そして、付勢パルス発生手段は振動子の共振周波数に近い付勢パルスを発生させるが、温度補正の必要もなく極めて簡素な回路構成でホットスタートが実現できる。

また本発明の発振回路において、付勢パルス発生手段は振動子の共振周波数に近い周波数のパルスを複数周期または、１周期、または半周期分を発生するようにする。そして、付勢する期間の長さが調整でき、目的にあった合理的な付勢期間の設定ができる。

また本発明の発振回路において、振動子はセラミック振動子を用いる。そして、セラミック振動子は水晶振動子に比べ共振の先鋭度が緩やかなので、付勢パルス発生手段は振動子の共振周波数に近い周波数の付勢パルスを発生させるが、その周波数設定の許容範囲が極めて広くとれるので、回路設計が容易になる。

また本発明の発振回路において、付勢パルス発生手段はコンデンサと抵抗を用いてパルス周波数またはパルス幅を設定した発振回路とする。そして、簡素な回路構成で付勢パルス発生手段を設計することができる。

また本発明の発振回路において、付勢パルス発生手段はリングオシレータを用いてパルス周波数またはパルス幅を設定する。そして、半導体素子上に発振回路を構成する際に容易となる。

また本発明の超音波流量計は、共振周波数を有する振動子と、前記振動子に接続されるアンプと、付勢パルス発生手段と、前記付勢パルス発生手段と前記振動子およびアンプとの接続・非接続とを切替える切替え手段とを備え、前記振動子の駆動初期は前記切替え手段により、前記振動子と前記付勢パルス発生手段とを接続するようにする発振回路を用い、前記発振回路から得られるパルスを超音波の伝播時間計測に用いる。特に前記発振回路から得られるパルスの１周期毎のパルスを超音波の伝播時間計測に用いる。そして、簡素な構成で伝播時間計測に用いる前記発振回路の断続動作が可能になるので、低消費電力の超音波流量計とすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における発振回路としてのブロック図を示すものである。図１において発振回路５は、振動子１、アンプ２、付勢パルス発生手段３、付勢パルス発生手段３と振動子１およびアンプ２との接続・非接続とを切替える切替え手段４とを備えたものである。振動子１には水晶振動子やセラミック振動子または、それらを安定に動作させるためのコンデンサが付加された水晶発振器やセラミック発振器が用いられる。セラミック振動子は水晶振動子に比べインピーダンス特性の共振の先鋭度が緩やかなので、本発明には水晶振動子よりも適している。何れの振動子、発振器もその共振周波数で発振させて得られるパルスを様々な用途に用いる。

図２は図１で示される発振回路５の振動子１、アンプ２の部分を示した回路図である。同図で振動子１は例えば京セラ株式会社製のセラミック発振子ＲＢＲＣ−Ｇシリーズの４ＭＨｚ用を用い、アンプは株式会社東芝セミコンダクター製ＴＣ７４ＨＣＵシリーズとＴＣ７４ＨＣシリーズを用いている。

図３は図１および図２で示される発振回路５を用いて得られる出力パルスＶｏｕｔの波形を示している。同図で時間０（基点）は電源があらかじめ供給されスタンバイ状態にあるアンプ２に、動作開始の指令信号が発せられと同時に、付勢パルス発生手段３から振動子１、アンプ２に付勢パルスが与えられるタイミングとしている。同図の６が付勢パルス発生手段３から供給されるパルスで、この図では振動子１の共振周波数（４ＭＨｚ）に近い周波数の半周期分としている。付勢パルス発生手段３で振動子１が付勢されると振動がはじまり、徐々に振動の振幅が成長して時間Ｔ０後に振動子１とアンプ２による自励発振のパルスが出力されている。同図からわかるように、自励発振の初期において周期は一定（４ＭＨｚ）に近いが、デューティー（パルスのハイの時間とローの時間の比）は低く徐々に５０％に近づいている。一定に見える周期も測定機（タイミングインターバルアナライザー）で測定すると、図４のように変化していることがわかる。

図４は電源があらかじめ供給されスタンバイ状態にあるアンプ２に、動作開始の指令信号が発せられと同時に、付勢パルス発生手段３から振動子１、アンプ２に付勢パルスが与えられるタイミングを基点（０）として、横軸に時間、縦軸は最終的にパルスが安定する周期（４ＭＨｚ振動子なので周期は２５０ｎｓ）に対する時間差（差分）をとり、アンプ２の出力パルスＶｏｕｔの周期変化をプロットした特性図である。複数ある特性カーブは、与える付勢パルスの周波数と波数をパラメータとしたものである。

同図の「（１）４ＭＨｚ波数１」は振動子１の共振周波数に合った付勢パルス周波数で波数が１（半周期）を与えた場合で、約９０μｓでＶｏｕｔパルスの周期が安定している。また、「（２）４ＭＨｚ波数３」は振動子１の共振周波数に合った付勢パルス周波数で波数が３（２．５周期）を与えた場合で、Ｖｏｕｔパルスの出力が現れるのが（１）に比べて早くなっているが、周期の安定までは約９０μｓとなっている。

「（３）３．５ＭＨｚ波数１」は振動子１の共振周波数からずれた付勢パルス周波数で波数が１（半周期）を与えた場合で、周期の安定までは約９０μｓとなっている。「（４）３．５ＭＨｚ波数３」は振動子１の共振周波数からずれた付勢パルス周波数で波数が３（２．５周期）を与えた場合で、Ｖｏｕｔパルスの出力が現れるのが（３）に比べて早くなっているが、周期の安定までは約９０μｓとなっている。

「（５）４．５ＭＨｚ波数１」は振動子１の共振周波数からずれた付勢パルス周波数
で波数が１（半周期）を与えた場合で、周期の安定までは約９０μｓとなっている。「（６）４．５ＭＨｚ波数３」は振動子１の共振周波数からずれた付勢パルス周波数で波数が３（２．５周期）を与えた場合で、Ｖｏｕｔパルスの出力が現れるのが（５）に比べて早くなっているが、周期の安定までは約９０μｓとなっている。

「（７）自励のみ」は付勢を行なわない場合で、Ｖｏｕｔパルスの出力が現れるのがもっとも遅く、周期の安定までは約１２０μｓとなっている。これらのことからわかるように、付勢パルスで付勢した場合、付勢しない場合に比べＶｏｕｔパルスの周期の安定までは３０μｓ短縮されている。さらに、４ＭＨｚの共振周波数を持つ振動子１（セラミック発振器）に対して、３．５ＭＨｚから４．５ＭＨｚの間で付勢パルスの周波数を変えても、Ｖｏｕｔパルスの周期の安定までは９０μｓと変わらないことと、かつ、付勢パルスの波数を変えた場合、波数が３の方が１に比べてＶｏｕｔパルスの出力が現れるのが早いが、いずれもＶｏｕｔパルスの周期の安定までは９０μｓと変わらないこととがわかる。

４ＭＨｚの振動子１の共振周波数に対して３．５ＭＨｚと４．５ＭＨｚは±１２．５％になり、これが付勢パルスの許容周波数範囲にあたる。これは付勢パルスをつくる付勢パルス発生手段３の回路構成を考える場合に非常に簡単な構成とすることができる条件となる。例えば、半導体ＩＣで回路を構成する場合、４ＭＨｚの発振器は素子の遅延を利用したリングオシレータや、コンデンサＣと抵抗器ＲによるＣＲ発振回路が考えられるが、いずれの場合でも±１２．５％の大きな許容値は半導体やコンデンサ、抵抗器の温度特性や素子バラツキをほとんど考慮する必要がない。このため温度補正回路や、周波数調整回路が不要となり、付勢パルス発生手段３が簡単な構成で実現できる。特にＣＲ発振回路では半導体ＩＣ内で構成するバラツキや温度特性の大きな抵抗やコンデンサを使用できるので、半導体ＩＣ以外の外付け部品が削減できる。

また、半導体ＩＣ内で構成されるリングオシレータも温度による周波数変化があるが、許容値が大きいことから、共用されるので半導体ＩＣ以外の外付け部品を必要とせず簡素な回路とすることができる。

以上に述べた、共振周波数を有する振動子を有する発振回路の駆動開始から安定発振までの期間を短縮する簡素な方法は、消費電力低減のために、振動子を間欠動作で使用し、その振動子の振動を早める振動開始手段として有効であるので、超音波の伝播時間を計測するために用いるパルスを間欠動作で行なう超音波流量計にも適用することができる。

以上のように、本発明の発振回路によれば、振動子の安定発振の開始をはやめられるので、消費電力低減のために振動子の間欠動作が必要な用途に適用が可能である。例えば電池駆動の超音波流量計において超音波の伝播時間計測を行うための振動子を間欠動作で用いても本発明を適用すれば正確な流量計測が可能になる。

本発明の実施の形態１における発振回路のブロック図同発振回路の振動子１とアンプ２の回路図同発振回路の出力パルスＶｏｕｔの電圧波形図同発振回路の出力パルスＶｏｕｔの周期変化をプロットした特性図

符号の説明

１振動子
２アンプ
３付勢パルス発生手段
４切替え手段
５発振回路

Claims

共振周波数を有する振動子と、
前記振動子に接続されるアンプと、
付勢パルス発生手段と、
前記付勢パルス発生手段と前記振動子およびアンプとの接続・非接続とを切替える切替え手段とを備え、前記振動子の駆動初期は前記切替え手段により、前記振動子と前記付勢パルス発生手段とを接続するようにした発振回路。
請求項１記載の発振回路であって、
付勢パルス発生手段は振動子の共振周波数に近い周波数のパルスを複数周期または、１周期、または半周期分を発生するようにした発振回路。
請求項１記載の発振回路であって、
振動子はセラミック振動子を用いた発振回路。
請求項１記載の発振回路であって、
付勢パルス発生手段はコンデンサと抵抗を用いてパルス周波数またはパルス幅を設定した発振回路。
請求項１記載の発振回路であって、
付勢パルス発生手段はリングオシレータを用いてパルス周波数またはパルス幅を設定した発振回路。
請求項１の発振回路を用い、前記発振回路から得られるパルスを超音波の伝播時間計測に用いた超音波流量計であって、
前記発振回路から得られるパルスの１周期毎のパルスを超音波の伝播時間計測に用いた超音波流量計。