JP5071265B2

JP5071265B2 - 圧電発振回路、および圧電発振回路の起動方法

Info

Publication number: JP5071265B2
Application number: JP2008161383A
Authority: JP
Inventors: 久浩伊藤; 真次西尾
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2008-06-20
Filing date: 2008-06-20
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2028-06-20
Also published as: JP2010004322A

Description

本発明は、発振周波数を可変可能な圧電発振回路を安定に起動する技術に関する。

従来技術に係る周波数調整機能が付加されたＳＡＷ発振回路５０を図４に示す。図４におけるＳＡＷ発振回路５０はＳＡＷ共振子５２を用いた電圧制御型発振回路であって、ＳＡＷ共振子５２の両極が可変容量５４と伸長コイル５６との並列回路を介して接続されている（特許文献１参照）。この伸長コイル５６により発振周波数の可変幅を広げることができる。
特開平７−１５２３８号公報

しかし、この伸長コイル５６のため、ＳＡＷ発振回路５０の周波数特性において共振周波数の近傍に寄生共振ピークが発生し、その共振点で発振する異常発振が起こる。このとき寄生共振ピークは伸長コイル５６のインダクタンスが大きいほどＳＡＷ発振回路５０の所望共振点に近づく。さらにＳＡＷ発振回路５０の周波数特性においてＳＡＷ発振回路５０の所望共振点付近ほど負性抵抗が大きいため異常発振が発生しやすい。そのため伸長コイル５６のインダクタンスを大きくすることができず、可変幅を広げる妨げとなっていた。また異常発振抑圧のために伸長コイル５６と並列にダンピング抵抗（不図示）を接続する方法もあるが、部品点数の増加、発振余裕度の減少等の問題があった。一方、発明者は可変容量を小さく設定すると伸長コイルの寄生共振ピークを高域に逃がすことができ、異常発振抑圧効果があることを見出した。

そこで、本発明は上記知見をもとに上記問題点を解決するため、部品点数の増加、発振余裕度の減少を抑えつつ起動時に発生する異常発振を抑圧可能な圧電発振回路、及び圧電発振回路の起動方法を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題を少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。

［適用例１］発振信号を出力する圧電発振回路であって、圧電振動子と、負荷容量を備え、前記負荷容量を可変させる可変容量回路と、伸長コイルと、増幅回路と、を備え、前記圧電発振回路は、前記負荷容量を可変させることにより前記負荷容量の可変容量範囲に対応する発振周波数変動範囲内で前記発振信号の発振周波数を可変可能であり、前記圧電発振回路の発振開始期間において前記可変容量回路の前記負荷容量の値を発振開始期間用容量値に固定する容量制御を行う容量制御回路を備えることを特徴とする圧電発振回路。

この構成により、発振開始期間中は負荷容量が発振開始用容量値に固定されるので、発振開始期間中に負荷容量の値が異常発振しやすい容量値に設定され異常発振してしまう虞がなくなる。
また異常発振を防止するために回路内に抵抗等のアナログ素子を加える必要はないので部品点数も増えることはなく、発振余裕度の低下の虞もない圧電発振回路となる。

［適用例２］適用例１に記載の圧電発振回路であって、前記圧電発振回路への電源投入時にリセットされ、外部から入力されるクロック信号に基づいてカウント値を変化させる
カウンタと、前記カウンタのカウント値が所定の値に達した場合、前記容量制御回路の前記容量制御を解除する信号を前記容量制御回路に出力するカウンタ監視回路と、を備えることを特徴とする圧電発振回路。
これにより、容量制御を解除するための回路を簡易な構成で実現できる。

［適用例３］適用例２に記載の圧電発振回路であって、前記カウンタに入力される前記クロック信号は前記発振信号であることを特徴とする圧電発振回路。
これにより発振開始期間を設けるために外部からクロック信号を導入することなく回路構成が簡単な圧電発振回路となる。

［適用例４］適用例２に記載の圧電発振回路であって、前記クロック信号は前記圧電発振回路の外部のマイコンの動作クロック信号であることを特徴とする圧電発振回路。これにより、安定したクロック信号となるため、安定した容量制御の解除動作を実現できる。

［適用例５］適用例１乃至４のいずれか１項に記載の圧電発振回路であって、前記可変容量回路は、前記負荷容量を互いに異なる２つの容量値である第１の容量値Ｃ１および第２の容量値Ｃ２に設定可能であり、前記圧電発振回路は、前記可変容量回路の前記負荷容量が前記第１の容量値Ｃ１に設定されている場合に第１の周波数ｆ_Ｌで発振し、前記負荷容量が前記第２の容量値Ｃ２に設定されている場合に前記第１の周波数ｆ_Ｌより高い第２の周波数ｆ_Ｈで発振する回路であり、前記容量制御回路は、前記圧電発振回路の前記発振開始期間において前記可変容量回路の前記負荷容量の値を前記第２の容量値Ｃ２に固定する容量制御を行うことを特徴とする圧電発振回路。

伸長コイルに起因する寄生発振周波数は、圧電発振回路の発振周波数帯より高周波側に存在する。寄生共振周波数は可変容量回路の容量値を変えることにより発振周波数と連動して変動するが、その変動幅は発振周波数の変動幅より大きい。よって、上記構成により、圧電発振回路の発振開始期間中は、圧電発振回路が第１の周波数ｆ_Ｌで発振開始する場合よりも第２の周波数ｆ_Ｈで発振開始した場合の方が発振周波数と寄生共振周波数との周波数差が大きいため、異常発振を防止することができる。

［適用例６］圧電振動子と負荷容量を可変させる可変容量回路と伸長コイルと増幅回路とを有し、前記負荷容量を可変させることにより前記負荷容量の可変容量範囲に対応する発振周波数変動範囲内で発振信号の発振周波数を可変可能である圧電発振回路の起動方法であって、前記圧電発振回路の発振開始期間において、前記可変容量の前記負荷容量の値を発振開始期間用容量値に固定する容量制御を行い、前記発振開始期間経過後に前記容量制御を解除することを特徴とする圧電発振回路の起動方法。

上記方法により、発振開始期間中は負荷容量が発振開始期間用容量値に固定されるので、発振開始期間中に負荷容量の値が異常発振しやすい容量値に設定され異常発振してしまう虞がなくなる。よって、異常発振を抑圧することができる。

以下、本発明に係る圧電発振回路、および圧電発振回路の起動方法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。

図１に第１実施形態に係る圧電発振回路を示す。第１実施形態に係る圧電発振回路１０は、主としてＦＳＫ（ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＳｈｉｆｔＫｅｙｉｎｇ）送信器用の圧電発振回路として用いられ、圧電振動子１２、増幅回路１４、可変容量回路１６、容量制御
回路１８、カウンタ２０、カウンタ監視回路２２から構成される。

圧電振動子１２は交番電圧が印加されて固有の共振周波数により発振する発振素子であって、本実施形態においてはＳＡＷ共振子、ＡＴカット振動子、音叉型圧電振動子を用いることができる。なお、本実施形態における圧電発振回路１０への電源電圧Ｖ_ＤＤの供給はマイコン４２（図３参照）のソフトウェアによって制御され、以後の実施形態においても同様とする。

増幅回路１４は圧電振動子１２からのクロック信号を増幅する例えばコルピッツ型の回路であって、出力バッファ１４ａを介して出力端子１４ｂが設けられている。また増幅回路１４は、圧電振動子１２と、可変容量回路１６及び伸長コイル２４の並列回路２６を介して接続されている。

可変容量回路１６は本実施形態において容量値の異なる複数の容量素子が並列に接続され、各容量素子には、例えばそれぞれ導通・不導通を制御する半導体スイッチ等のスイッチ素子（不図示）が直列に配設されたものである。また可変容量回路１６は、発振周波数の可変幅を広げる伸長コイル２４と並列に接続された並列回路２６を構成している。ここで可変容量回路１６は少なくとも容量の異なる２つの容量素子を用いればよく、容量の小さい容量素子のみを導通する場合、圧電発振回路１０の発振周波数は高周波側に移動する。容量の大きい容量素子のみを導通する場合は、圧電発振回路１０の発振周波数は低周波側に移動する。また可変容量回路１６において容量の異なる複数の容量素子を有する場合、最も小さい容量の容量素子を導通した場合には、圧電発振回路１０の発振周波数が最大値となる。そして、最も大きい容量の容量素子を導通した場合には、圧電発振回路１０の発振周波数が最小値となる。この最大値と最小値との間を可変幅として各容量素子を適宜選択することにより、各容量素子の容量に対応した離散的な発振周波数を得ることができる。

なお、予め容量値が等しい複数の容量素子を可変容量回路１６に設け、その複数の容量素子の中から１つ以上の容量素子をスイッチ素子によって伸長コイル２４に選択的に並列に接続することもできる。この場合でも、離散的な発振周波数をえることができる。

容量制御回路１８は、例えば出力側が可変容量回路１６の各スイッチ素子（不図示）に接続され、入力側がＦＳＫデータ信号端子１８ａに接続され、入力されるＦＳＫデータ信号に基づき、可変容量回路１６内の必要とする容量素子を選択するための信号を、対応する各スイッチ素子に出力する回路として構成されている。

さらに容量制御回路１８は、後述のカウンタ監視回路２２と接続する解除信号入力端子１８ｂを有し、カウンタ監視回路２２からの解除信号が入力されるまでＦＳＫデータ信号の入力を遮断する容量制御を行うように構成されている。このとき容量制御回路１８は、可変容量回路１６の容量値を予め設定された発振開始期間用容量値に固定するように、対応する容量素子に直列に接続するスイッチ素子（不図示）のみに電流を出力するように容量制御を行うよう構成されている。なお、この発振開始期間用容量値は、発振周波数変動範囲の中心周波数に対応する容量値以下である。

カウンタ２０は、圧電発振回路１０の起動開始時から発振開始期間が終了するまで、カウンタ２０の外部から入力されるクロック信号に基づいて、カウント値のカウントアップまたはカウントダウンを行うものである。本実施形態においてはカウンタ２０の入力側は増幅回路１４の出力端子１４ｂに接続される。すなわちカウンタ２０のクロック信号は発振信号を用いる。これにより外部から新たにクロック信号を導入することなく回路構成を簡単にすることができる。カウンタ２０はバイナリカウンタ等のフィルドコードカウンタ
や、ジョンソンカウンタ等のアンフィルドコードカウンタを用いることができる。またカウンタ２０は、例えば発振開始期間に圧電発振回路１０の発振周波数を乗じて得た値の小数点以下の値を切り上げて得られる整数をフルカウントとするように設計すればよい。さらにカウンタ２０のリセット入力端子（不図示）はマイコン４２のインターフェース（不図示）に接続すればよい。そして電源電圧の立ち上がりと同期してリセット信号を出力できるようにマイコンのソフトウェアを構成すればよい。これによりリセット信号の立ち上げ（又は立ち下げ）をトリガとしてカウンタ２０をリセットすることができる。

カウンタ監視回路２２は、カウンタ２０の出力に接続され、カウンタ２０が発振開始期間の終了に対応するカウント値を出力した場合に、容量制御回路１８に解除信号を出力する回路である。カウンタ監視回路２２は、例えばカウンタ２０としてバイナリカウンタを用いた場合、バイナリカウンタの各ビットの出力ごとに接続し全てのビットの電位が高電位（データは１）となったときのみ解除信号を出力するＡＮＤ回路として構成すればよい。

以上の構成にすることにより、第１実施形態に係る圧電発振回路１０は、起動後、カウンタ２０がリセットされるとともにクロック信号をトリガとしてフルカウントまでカウントする。このとき発振開始期間経過前までは容量制御回路１８により可変容量回路１６の容量値が、発振周波数変動範囲の中心周波数に対応する値以下に固定される。伸長コイル２４に起因する寄生共振周波数は、発振周波数より高周波側に存在する。寄生共振周波数は可変容量回路１６の容量値を変えることにより発振周波数と連動して変動するが、その変動幅は発振周波数の変動幅より大きい。よって、圧電発振回路の発振開始期間中は発振周波数及び寄生共振周波数は高周波側にシフトするとともに、発振周波数と寄生共振周波数との周波数差が広がるため、異常発振を防止することができる。また異常発振を防止するために回路内に抵抗等のアナログ素子を加える必要はないので部品点数も増えることはなく、発振余裕度の低下の虞もない。そしてカウンタ２０がフルカウントとなることで発振開始期間が経過するとカウンタ監視回路２２が解除信号を容量制御回路１８に出力し、容量制御回路１８がＦＳＫデータ信号を可変容量回路１６に出力可能な状態となる。そしてこの状態を維持することによって、ＦＳＫデータ信号が入力されると、圧電発振回路１０がＦＳＫデータ信号に基づき変調されたＦＳＫ信号を出力端子から出力することになる。

第１の実施形態を適用した圧電発振回路１０の例として、送信するＦＳＫデータが２値である場合について説明する。
この場合、圧電発振回路１０は、２値のＦＳＫデータのそれぞれに対応する２つの周波数ｆ_Ｌ、ｆ_ＨのＦＳＫ信号を出力できる。なお、ｆ_Ｌは、ｆ_Ｈより低い周波数である。そして、可変容量回路１６は、ｆ_Ｌに対応した容量値Ｃ１及びｆ_Ｈに対応した容量値Ｃ２を、圧電発振回路１０の負荷容量として設定可能である。そして、上述の第１実施形態の場合と同様の構成を用いて、容量制御回路１８は、発振開始期間中、可変容量回路１６の容量値を発振開始期間用容量値であるＣ２に固定する制御を行う。

このＦＳＫデータが２値の場合の実施形態によれば、圧電発振回路が周波数ｆ_Ｌで発振開始する場合よりもｆ_Ｈで発振開始した場合の方が発振周波数と寄生共振周波数との周波数差が大きいため、発振開始期間中の圧電発振回路の負荷容量を周波数ｆ_Ｈに対応する負荷容量Ｃ２に固定することにより、異常発振を抑制することができる。

第２実施形態に係る圧電発振回路３０を図２に示す。圧電発振回路３０を構成する可変容量回路３２は、制御電圧を印加することにより容量値を可変可能な可変容量素子３２ａにより構成され、可変容量回路３２ａに接続する容量制御回路３４は、発振開始期間において可変容量回路３２の容量値が発振周波数変動範囲の中心周波数に対応する値以下とな
る制御電圧に固定する制御を行う構成を有する。これにより、制御電圧を制御して可変容量を調整でき、可変容量回路３２の容量値を連続的に調整可能となる。

可変容量素子３２ａは図２に示すように、例えばバリキャップダイオードを用いることができる。そして容量制御回路３４はバリキャップダイオードに印加する電圧を調整する回路である。また伸長コイル２４に直流電流が流れることを防止するため、容量素子３６が伸長コイル２４と直列に接続されている。

容量制御回路３４は周波数制御信号入力端子３４ａを備え、周波数制御信号に対応する制御電圧を可変容量回路３２に出力することができる。また容量制御回路３４は第１実施形態と同様にカウンタ監視回路２２に接続され、カウンタ監視回路２２からの解除信号が入力されるまでは、周波数制御信号を遮断して可変容量回路３２の容量値が発振周波数変動範囲の中心周波数に対応する値以下となる制御電圧を可変容量回路３２に出力するように構成されている。そして容量制御回路３４に解除信号が入力されると周波数制御信号の遮断を解除して、周波数制御信号に対応する制御電圧を可変容量回路３２に出力する。

第３実施形態に係る圧電発振回路４０を図３（ａ）、（ｂ）に示す。第３実施形態に係る圧電発振回路４０は、図３（ａ）に示すように、第１実施形態及び第２実施形態におけるカウンタ２０のクロック信号として、圧電発振回路４０を制御するマイコン４２から出力される動作クロック信号を用いた構成を有している。図３においては第２実施形態に係る圧電発振回路に本実施形態を適用している。クロック信号としてマイコン４２から出力されるマイコン４２を動作させるための動作クロック信号を用いることで、第１実施形態及び第２実施形態の場合に比べて安定したクロック信号となるため、発振開始期間中におけるカウンタ２０、カウンタ監視回路２２、および容量制御回路１８、３４の安定した動作を実現できる。さらに図３（ｂ）に示すように、マイコン４２のインターフェース（不図示）と容量制御回路４４とを接続し、マイコン４２自身が有するカウンタ（不図示）を用い、発振開始期間に相当するカウント数に達した後に制御解除の信号を出力するソフトウェアを構成することもできる。これによりカウンタ監視回路２２に代わって、マイコン４２のソフトウェアが容量制御回路４４を制御することができる。一方、第１実施形態、及び第２実施形態においてはハードウェアであるカウンタ監視回路２２を用いることで、マイコン４２のタスク負担を軽減することができる。

第１実施形態に係る圧電発振回路である。第２実施形態に係る圧電発振回路である。第３実施形態に係る圧電発振回路である。従来技術に係る圧電発振回路である。

符号の説明

１０………発電発振回路、１２………圧電振動子、１４………増幅回路、１６………可変容量回路、１８………容量制御回路、２０………カウンタ、２２………カウンタ監視回路、２４………伸長コイル、２６………並列回路、３０………圧電発振回路、３２………可変容量回路、３４………容量制御回路、３６………容量素子、４０………圧電発振回路、４２………マイコン、４４………容量制御回路、５０………ＳＡＷ発振回路、５２………ＳＡＷ共振子、５４………可変容量、５６………伸長コイル。

Claims

発振信号を出力する圧電発振回路であって、
圧電振動子と、
負荷容量を備え、前記負荷容量を可変させる可変容量回路と、
伸長コイルと、
増幅回路と、
を備え、
前記圧電発振回路は、前記負荷容量を可変させることにより前記負荷容量の可変容量範囲に対応する発振周波数変動範囲内で前記発振信号の発振周波数を可変可能であり、
前記圧電発振回路の発振開始期間において前記可変容量回路の前記負荷容量の値を発振開始期間用容量値に固定する容量制御を行う容量制御回路を備えることを特徴とする圧電発振回路。
請求項１に記載の圧電発振回路であって、
前記圧電発振回路への電源投入時にリセットされ、外部から入力されるクロック信号に基づいてカウント値を変化させるカウンタと、
前記カウンタのカウント値が所定の値に達した場合、前記容量制御回路の前記容量制御を解除する信号を前記容量制御回路に出力するカウンタ監視回路と、を備えることを特徴とする圧電発振回路。
請求項２に記載の圧電発振回路であって、
前記カウンタに入力される前記クロック信号は前記発振信号であることを特徴とする圧電発振回路。
請求項２に記載の圧電発振回路であって、
前記クロック信号は前記圧電発振回路の外部のマイコンの動作クロック信号であることを特徴とする圧電発振回路。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧電発振回路であって、
前記可変容量回路は、前記負荷容量を互いに異なる２つの容量値である第１の容量値Ｃ１および第２の容量値Ｃ２に設定可能であり、
前記圧電発振回路は、前記可変容量回路の前記負荷容量が前記第１の容量値Ｃ１に設定されている場合に第１の周波数ｆ_Ｌで発振し、前記負荷容量が前記第２の容量値Ｃ２に設定されている場合に前記第１の周波数ｆ_Ｌより高い第２の周波数ｆ_Ｈで発振する回路であり、
前記容量制御回路は、前記圧電発振回路の前記発振開始期間において前記可変容量回路の前記負荷容量の値を前記第２の容量値Ｃ２に固定する容量制御を行うことを特徴とする圧電発振回路。
圧電振動子と負荷容量を可変させる可変容量回路と伸長コイルと増幅回路とを有し、前記負荷容量を可変させることにより前記負荷容量の可変容量範囲に対応する発振周波数変動範囲内で発振信号の発振周波数を可変可能である圧電発振回路の起動方法であって、
前記圧電発振回路の発振開始期間において、前記可変容量の前記負荷容量の値を発振開始期間用容量値に固定する容量制御を行い、前記発振開始期間経過後に前記容量制御を解除することを特徴とする圧電発振回路の起動方法。