JP5861221B2 - Piezoelectric vibration circuit - Google Patents

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  • Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)

Description

高速データ通信等の基地局装置、周波数測定器等の周波数の基準に使用される圧電発振器および圧電効果を利用してなるセンサー向け圧電発振器に適応する。本発明は、物理計測及び化学計測用の圧電振動用の発振回路に係り、さらに詳しくは、粘度センサー、流速センサー、圧力センサー、温度センサー、振動センサー、浮遊微粒子センサー、揮発性有機化学物質ガス等の気体に対する化学センサー、免疫センサー等として特に流体中に浸漬されて用いられる圧電振動子センサーを発振させるのに好適な圧電振動回路に関するものである。   It applies to base stations for high-speed data communication, piezoelectric oscillators used as a frequency reference for frequency measuring instruments, and piezoelectric oscillators for sensors using the piezoelectric effect. The present invention relates to an oscillation circuit for piezoelectric vibration for physical measurement and chemical measurement, and more specifically, a viscosity sensor, a flow rate sensor, a pressure sensor, a temperature sensor, a vibration sensor, a suspended particulate sensor, a volatile organic chemical gas, etc. In particular, the present invention relates to a piezoelectric vibration circuit suitable for oscillating a piezoelectric vibrator sensor that is used by being immersed in a fluid as a chemical sensor, an immunosensor, or the like.

近年、圧電振動子である水晶振動子を用いた微量天秤と呼ばれる水晶振動子微量天秤(Quartz Crystal Microbalance: QCM)が注目を集めている。このQCMは、水晶振動子の電極に物質が付着して生ずる表面の質量を、水晶振動子など周波数変換素子の共振周波数変化として検出するものである。QCMはナノグラム以下の質量検出が可能である所から、バイオセンサーや化学センサーなどとして医学や生化学、食品や環境測定などの広い分野において微量物質の検出に応用されている。例えば、水晶振動子を液相用質量測定装置として、水晶振動子を液体中に浸して使用する場合がある。このとき、空気中と液体中とでは、振動子の実効的な等価回路定数(クリスタルインピダンス、以下「CI値」と表記)が大幅に増加し、液体中におけるCI値が空気中よりも約10から30倍も大きくなるため、液体中では水晶振動子を発振させることが困難であった。   In recent years, a quartz crystal microbalance (QCM) called a microbalance using a crystal resonator, which is a piezoelectric resonator, has attracted attention. This QCM detects the mass of the surface generated by the substance adhering to the electrodes of a crystal resonator as a change in the resonance frequency of a frequency conversion element such as a crystal resonator. Since QCM is capable of detecting mass below nanogram, it is applied to detection of trace substances in a wide range of fields such as medicine, biochemistry, food and environmental measurement as a biosensor and chemical sensor. For example, there are cases where a crystal resonator is used as a liquid-phase mass measuring device and the crystal resonator is immersed in a liquid. At this time, the effective equivalent circuit constant (crystal impedance, hereinafter referred to as “CI value”) of the vibrator is greatly increased in the air and in the liquid, and the CI value in the liquid is about 10 times that in the air. Therefore, it was difficult to oscillate a crystal resonator in liquid.

従来技術としてCMOSインバーターによるコルピッツ型発振回路を提示する。さらに、下記特許文献を提示する。特許文献1ならびに特許文献2では、インバーターの入出力間にバイアス設定用抵抗R2あるいは R4を挿入している。またインバーターの入出力を接地から直流電位の分離を得るため、C2、 C3、 Cp1、 Cp2のパスコンデンサを挿入している。これに対して本発明では抵抗を使用する必要が無い、さらにパスコンデンサに相当するコンデンサは一つである。微調整の必要のあるコンデンサと抵抗の本数を減少させたことにより回路が簡素化される。 A Colpitts type oscillation circuit using a CMOS inverter is presented as a prior art. Furthermore, the following patent documents are presented. In Patent Document 1 and Patent Document 2, a bias setting resistor R 2 or R 4 is inserted between the input and output of the inverter. In addition, C 2 , C 3 , Cp 1 , and Cp 2 pass capacitors are inserted in order to obtain a DC potential separation from the inverter input / output. In contrast, in the present invention, it is not necessary to use a resistor, and there is only one capacitor corresponding to a pass capacitor. The circuit is simplified by reducing the number of capacitors and resistors that need to be fine tuned.

図1にコルピッツ型と呼ばれる従来型の圧電発振回路の回路図を示す。また、図2に同等価発振回路-1を示す。キルヒホッフの法則を適用し式(数1)を得る。   FIG. 1 shows a circuit diagram of a conventional piezoelectric oscillation circuit called a Colpitts type. FIG. 2 shows the equivalent oscillation circuit-1. Apply Kirchhoff's law to get the formula (Equation 1).

同じく式(数2)の特性回路方程式を得る。 Similarly, the characteristic circuit equation of the formula (Equation 2) is obtained.

式(数3)のように各インピダンスの設定を行い、式(数2)に代入して、図3に同等価発振回路―3に示す等価回路抵抗RC及び、等価回路キャパシタンスCCを得る。結果を式(数4)に示す。 Set each impedance as shown in Equation (3), and substitute it into Equation (2) to obtain the equivalent circuit resistance R C and equivalent circuit capacitance C C shown in FIG. . The result is shown in Formula (Formula 4).

コルピッツ回路においてモーションアームからの回路側の合成等価回路抵抗RPCCi、合成等価キャパシタンスCPCCiを求め、式(数6)を得る。 In the Colpitts circuit, the combined equivalent circuit resistance R PCCi and the combined equivalent capacitance C PCCi on the circuit side from the motion arm are obtained, and Expression (6) is obtained.

キャパシターCの値をパラメータとして合成等価抵抗RPCCiと合成等価キャパシタンスを計算すると、Cを大きくすることで、CPCCiは大きくなるのであるが、RPCCiは小さくなる。即ち、発振可能領域が外部から加わる浮遊容量等によるキャパシタンスの増加によって制約される。10 MHzでRPCCiは-1 kΩ以下である。図4に定常発振時の発振回路の近似等価回路―3、図5に近似等価回路―4を示す。以下では、回路側に含めて合成された等価抵抗RCCi、等価キャパシタンスCCCi、等価インダクタンスLCCi、コルピッツ回路の回路側に含めて合成した等価抵抗RpCCi、等価キャパシタンスCpCCiの導出過程を示し、図10において本発明による発振回路のインピダンスと比較している。コルピッツ型発振回路は低周波領域において大きな負性抵抗を示す。0.6 MHzにおいて、負性抵抗の最大値RpCCimaxは近似的に-27kΩに等しい。周波数に対する依存性は3から15 pFまでの個々の等価キャパシタンスCPCCiに対して大きく依存しない。 When the combined equivalent resistance R PCCi and the combined equivalent capacitance are calculated using the value of the capacitor C as a parameter, C PCCi increases as C increases, but R PCCi decreases. That is, the oscillation possible region is restricted by an increase in capacitance due to a stray capacitance applied from the outside. At 10 MHz, R PCCi is less than -1 kΩ. Fig. 4 shows the approximate equivalent circuit-3 of the oscillation circuit during steady oscillation, and Fig. 5 shows the approximate equivalent circuit-4. The following shows the derivation process of the equivalent resistance R CCi , equivalent capacitance C CCi , equivalent inductance L CCi , and equivalent resistance R pCCi , and equivalent capacitance C pCCi synthesized by including in the circuit side of the Colpitts circuit. FIG. 10 compares the impedance of the oscillation circuit according to the present invention. The Colpitts type oscillation circuit exhibits a large negative resistance in a low frequency region. At 0.6 MHz, the negative resistance maximum value R pCCimax is approximately equal to −27 kΩ. The dependence on frequency is largely independent of the individual equivalent capacitance C PCCi from 3 to 15 pF.

特開2008-263272公報JP2008-263272 特開2008-311980公報JP2008-311980

インバーターを用いて大きな負性抵抗を得、さらに広い発振周波数可変幅を得る圧電発振回路を提供する。及び、大きな負性抵抗を得ることができることを論理的に証明する。   Provided is a piezoelectric oscillation circuit that obtains a large negative resistance using an inverter and obtains a wider oscillation frequency variable width. And it proves logically that a large negative resistance can be obtained.

上記の目的を達成するため、圧電振動回路として、インバーターの入出力間にコンデンサーと圧電振動子を並列接続した回路と、第1のコイル、第2のコイルを直列接続した回路を備え、第1のコイル、第2のコイルの接続点と回路の接地点間にパスコンデンサーを備え、接続点と接地点間を交流に対して短絡させ、さらに電源と接地間にはコンデンサーを挿入し、交流に対して短絡させ、前記インバーターの電源端子と接地端子間に電圧を印加し、発振回路として構成することを特徴とする。   In order to achieve the above object, the piezoelectric vibration circuit includes a circuit in which a capacitor and a piezoelectric vibrator are connected in parallel between the input and output of the inverter, and a circuit in which a first coil and a second coil are connected in series. A pass capacitor is provided between the connection point of the coil and the second coil and the ground point of the circuit, the connection point and the ground point are short-circuited with respect to the AC, and a capacitor is inserted between the power source and the ground to The circuit is short-circuited, and a voltage is applied between a power supply terminal and a ground terminal of the inverter to constitute an oscillation circuit.

またインバーターの入出力間のコンデンサーは、同調キャパシターまたは電圧制御可変容量ダイオードであることを特徴とする。
このとき、インバーターを構成する半導体は、FET、またはバイポーラトランジスタであることを特徴とする。
The capacitor between the input and output of the inverter is a tuning capacitor or a voltage controlled variable capacitance diode.
At this time, the semiconductor constituting the inverter is an FET or a bipolar transistor.

また圧電振動子は、水晶の結晶体、またはセラミックの焼結体である。
図6に本発明のうちインバーターの入出力間のコンデンサーは、同調キャパシターとした発振回路を示す。インバーターの入出力間に圧電振動子を挿入し、さらに同インバーターの入力にインダクタンス、同じく同インバーターの出力にインダクタンスを接続し、インダクタンス同士を接続する中点と回路の接地の間にキャパシタンスを接続し発振回路を構成する。また、インバーターの電源端子と接地端子間に直流電圧、および交流電圧に対し短絡とする十分大きなキャパシタンスを挿入する。発明になる回路は回路に付加したCXまたはC4とL2、 L3によるLC共振状態と、水晶振動子の共振状態の結合よりなる2重共振型回路を構成する。2重共振型発振回路の負性抵抗の最大値RCCimaxは10 MHzにおいて近似的に-7 kΩに等しい。さらに、共鳴周波数の近傍において狭い周波数領域において急激な変化を示す。等価抵抗はインダクタンスの特性を示し高周波領域において、容量性の特性を示す。図7、8、9に本発明回路の等価回路を示す。本発明回路では、特許文献1ならびに特許文献2で示された回路と同等あるいは同等以上の機能をより少ない部品で実現している。同図の抵抗はインダクタンスL2および L3のQ値(=ωL/R)を与える抵抗である。各電流源からの電流と電位差により式(数7)が得られる。定電流源のコンダクタンスを合成すると式(数9)の総合コンダクタンスが得られる。
The piezoelectric vibrator is a crystal body of quartz or a sintered body of ceramic.
FIG. 6 shows an oscillation circuit in which the capacitor between the input and output of the inverter of the present invention is a tuning capacitor. Insert a piezoelectric vibrator between the input and output of the inverter, connect an inductance to the input of the inverter, connect an inductance to the output of the inverter, and connect a capacitance between the midpoint connecting the inductances and the circuit ground. Configure the oscillation circuit. In addition, a sufficiently large capacitance for short-circuiting the DC voltage and AC voltage is inserted between the power supply terminal and the ground terminal of the inverter. The circuit according to the invention constitutes a double resonance circuit composed of a combination of the LC resonance state by C X or C 4 and L 2 and L 3 added to the circuit and the resonance state of the crystal resonator. The maximum value R CCimax of the negative resistance of the double resonance type oscillation circuit is approximately equal to -7 kΩ at 10 MHz. Furthermore, a rapid change is shown in a narrow frequency region in the vicinity of the resonance frequency. The equivalent resistance indicates an inductance characteristic and a capacitive characteristic in a high frequency region. 7, 8 and 9 show equivalent circuits of the circuit of the present invention. In the circuit of the present invention, functions equivalent to or equivalent to those of the circuits shown in Patent Document 1 and Patent Document 2 are realized with fewer parts. The resistors in the figure are the resistors that give the Q values (= ωL / R) of the inductances L 2 and L 3 . Equation (7) is obtained from the current and potential difference from each current source. By combining the conductance of the constant current source, the total conductance of Equation (9) is obtained.

キルヒホフの電圧則・電流則を適用し、基礎方程式をなす同次1次方程式を得る。   Applying Kirchhoff's voltage law and current law, we obtain a homogeneous linear equation that forms the basic equation.

同式の解が恒常的に0でない条件により特性方程式(数12)が得られる。   The characteristic equation (Equation 12) is obtained under the condition that the solution of the equation is not always zero.

次式に示すインピダンスを規定して代入し、等価的抵抗と等価的インダクタンスを求める。
式(数13)はQ値の定義である。
The impedance shown in the following equation is specified and substituted to obtain the equivalent resistance and equivalent inductance.
Expression (Equation 13) is a definition of the Q value.

各インピダンスを内部抵抗とリアクタンス分に分解して、式(数14)を得る。   Each impedance is decomposed into an internal resistance and a reactance, and the formula (Equation 14) is obtained.

定常発振回路の等価回路から次の式を得る。   The following equation is obtained from the equivalent circuit of the steady oscillation circuit.

等価回路-3においてZxtは水晶振動子の等価的インピダンスである。C0を含めて合成してCx、ドライバー回路のインピダンスRc、Lcを含めて合成された等価的抵抗とインダクタンスにすることで、RCCi、 LCCiを発見する。角周波数ωを用いて、インダクタンスLc
キャパシタンスCcに変換できる。同様にLCCiをCCCiに変換できる。回路側に並列容量を含めて合成された合成等価抵抗RCCiと合成等価キャパシタンスCCCiの定義は以下の式(数19)、 (数20)に与えられている。モーションアームからみた合成等価抵抗RCCiと、合成等価キャパシタンスCC、 CCCiと合成等価インダクタンスLC、 LCCiの関係を以下の式(数18)に示す。
In the equivalent circuit-3, Z xt is an equivalent impedance of the crystal resonator. R CCi and L CCi are found by combining C 0 and combining C x with the equivalent resistance and inductance of the driver circuit impedance R c and L c . Using the angular frequency ω, the inductance L c can be converted to a capacitance C c . Similarly, L CCi can be converted to C CCi . The definitions of the synthesized equivalent resistance R CCi and the synthesized equivalent capacitance C CCi synthesized including the parallel capacitance on the circuit side are given by the following equations (Equation 19) and (Equation 20). The relationship between the combined equivalent resistance R CCi , the combined equivalent capacitance C C , C CCi, and the combined equivalent inductance L C , L CCi as seen from the motion arm is shown in the following equation (Formula 18).

合成等価抵抗および合成等価キャパシタンスを示す。   The composite equivalent resistance and the composite equivalent capacitance are shown.

図10に本発明のうちインバーターの入出力間のコンデンサーを、単一の可変容量ダイオード周波数制御方式での構成とした発振回路を示す。以下、この回路方式を単一ダイオード周波数制御とする。単一ダイオード周波数制御方式は構成する部品点数が少ない特徴があるが、制御電圧の増加する側の変化と減少する側の変化の場合電圧に対する静電容量の変化の様子が異なる。従って、周波数制御において制御電圧勾配の上昇あるいは下降部分の片側だけを常に用いて周波数成御を行う。   FIG. 10 shows an oscillation circuit of the present invention in which the capacitor between the input and output of the inverter is configured with a single variable capacitance diode frequency control system. Hereinafter, this circuit system is referred to as single diode frequency control. The single diode frequency control system has a feature that the number of components is small, but the change in capacitance with respect to the voltage differs in the case of a change on the increasing side and a change on the decreasing side of the control voltage. Therefore, in frequency control, frequency control is always performed using only one side of the rising or falling part of the control voltage gradient.

この問題点を解決するために、2個の可変容量ダイオードを逆極性に接続して制御バイアスを加える方式を2重可変容量ダイオード周波数制御方式での構成とした発振回路を図11に示す。本回路図ではBack-to-Backでの接続としたが、Head-to-Headの接続として制御電圧は逆極性とした構成としてもよい。   In order to solve this problem, FIG. 11 shows an oscillation circuit in which two variable capacitance diodes are connected in reverse polarity and a control bias is applied to the double variable capacitance diode frequency control method. In this circuit diagram, the back-to-back connection is used. However, the control voltage may have a reverse polarity as a head-to-head connection.

図10の電圧制御水晶発振回路を用いて試験を行った。回路の回路定数は以下のとおりである。回路定数:パスキャパシターC2 = 10 μF、 C3、 C4、 C8、 C9、 C10= 1000 pF、 C6 = 10 pF、 C7 = 0.1 μF;可変容量ダイオードCx1、 Cx2: 1SV149B、CMOS インバーター IC1: TC7SHU04; L2、 L3= 2.7 μH; Rf4、 Rf5 = 100 Ω; R6、 R7、 R8 = 1 MΩ とした。 The test was performed using the voltage controlled crystal oscillation circuit of FIG. The circuit constants of the circuit are as follows. Circuit constants: Pass capacitor C 2 = 10 μF, C 3 , C 4 , C 8 , C 9 , C 10 = 1000 pF, C 6 = 10 pF, C 7 = 0.1 μF; variable capacitance diodes C x1 , C x2 : 1SV149B, CMOS inverter IC 1 : TC7SHU04; L 2 , L 3 = 2.7 μH; R f4 , R f5 = 100 Ω; R 6 , R 7 , R 8 = 1 MΩ.

図12は、単一可変容量ダイオード周波数制御による周波数可変の様子である。可変容量ダイオード電圧制御発振回路における観測された周波数ジャンプと周波数偏差の絶対値 ■:バイアス電圧上昇時の周波数偏差fvd1(↑)、□:バイアス電圧下降時の周波数偏差fvd1(↓)、●:周波数偏差fvd1(↑)の正規化|Δfvd1(↑)/f1|、○:周波数偏差fvd1(↓)の正規化|Δfvd1(↓)/f1|、回路定数:L2、L3= 2.7 μH、Q2、Q3 = 100、Co=10 pF、GM = 10 mA/V。 水晶共振器の等価回路定数: C0 = 5.122 pF、L1 = 12.71 mH、C1= 24.61 pF、R
1 = 24.15Ω、 f1 = 8.9989 MHzとした。
FIG. 12 shows how the frequency is variable by single variable capacitance diode frequency control. Absolute values of observed frequency jump and frequency deviation in variable-capacitance diode voltage-controlled oscillator ■: Frequency deviation f vd1 (↑) when the bias voltage is increased, □: Frequency deviation f vd1 (↓) when the bias voltage is decreased, ● : Normalization of frequency deviation f vd1 (↑) | Δf vd1 (↑) / f 1 |, ○: Normalization of frequency deviation f vd1 (↓) | Δf vd1 (↓) / f 1 |, circuit constant: L 2 , L 3 = 2.7 μH, Q 2, Q 3 = 100, C o = 10 pF, G M = 10 mA / V. Equivalent circuit constant of crystal resonator: C 0 = 5.122 pF, L 1 = 12.71 mH, C 1 = 24.61 pF, R
1 = 24.15Ω and f 1 = 8.9989 MHz.

図13は理論計算による負性抵抗と周波数可変の変位率を示す。Cxの関数としてバイアス電圧下降時の発振周波数と正規化された周波数偏差、等価負性抵抗である。静電容量Cxに対する負性抵抗の依存性について、バイアス電圧上昇時において、負性抵抗が最大値36Ωに達する前に発振周波数はロックされる。バイアス電圧下降時において負性抵抗Rdciの最大値10kΩにおいて水晶共振が起こる。同じ値Rdciが水晶共振の周波数fxtがLC共振の周波数に等しいときに同じ値が観測された。バイアス電圧上昇中と降下中において、LC共振から水晶共振へのモード遷移が同じ周波数で観測された。 FIG. 13 shows the negative resistance and the variable frequency displacement rate by theoretical calculation. C oscillation frequency when the bias voltage falling as a function of x and the normalized frequency deviation is equivalent negative resistance. Regarding the dependence of the negative resistance on the capacitance C x , the oscillation frequency is locked before the negative resistance reaches the maximum value of 36Ω when the bias voltage increases. Crystal resonance occurs at the maximum value 10 kΩ of the negative resistance R dci when the bias voltage drops. The same value was observed when the same value R dci was equal to the crystal resonance frequency f xt . The mode transition from LC resonance to crystal resonance was observed at the same frequency during the increase and decrease of the bias voltage.

図14は、2重可変容量ダイオード周波数制御方式の周波数制御特性を示す。水晶共振状態がより小さいキャパシタンス値において起き、周波数の偏差が101 ppmの急峻な変化を示すまで連続的に発振が起きる。 FIG. 14 shows frequency control characteristics of the double variable capacitance diode frequency control method. The crystal resonance occurs at a lower capacitance value and oscillates continuously until the frequency deviation shows a steep change of 10 1 ppm.

図15は理論解析を示す。Cxが約56 pFにおいて水晶共振が観測された。ここで、2重共振はより広いキャパシタンスの範囲で現れる。この点において、Rdciの絶対値は約10 kΩである。このときに水晶共振のモーションアームは共振状態から離れ、発振モードはLC発振に遷移する。 FIG. 15 shows the theoretical analysis. Quartz resonance was observed at C x of about 56 pF. Here, the double resonance appears in a wider capacitance range. At this point, the absolute value of R dci is about 10 kΩ. At this time, the motion arm of crystal resonance leaves the resonance state, and the oscillation mode transitions to LC oscillation.

図16、17では、可変容量ダイオード制御回路において周波数の差の制御電圧に対する依存性の直線性の検討結果を示す。単一可変容量ダイオード制御回路では水晶共振とLC共振の不一致を示しているが、2重可変容量ダイオード制御回路でLC共振がロックする発振周波数と水晶共振周波数が一致する。さらに、本発明の2重共振水晶発振回路は、制御電圧が3から7V の範囲で比例係数が約1の線形性を示す。   16 and 17 show the examination results of the linearity of the dependence of the frequency difference on the control voltage in the variable capacitance diode control circuit. The single variable capacitance diode control circuit shows a mismatch between the crystal resonance and the LC resonance, but the oscillation frequency at which the LC resonance is locked and the crystal resonance frequency match in the double variable capacitance diode control circuit. Furthermore, the double-resonance crystal oscillation circuit of the present invention exhibits linearity with a proportionality factor of about 1 when the control voltage is in the range of 3 to 7V.

単一可変容量ダイオード制御においてはバイアスの増減において示す周波数変移が異なるのに対して2重可変容量ダイオード制御においては全く同じ周波数変位を示す。
電圧制御発振回路において周波数の安定性は重要である。センサーの駆動回路においては測定の分解能や再現性に関わり、通信用途においては隣接する周波数バンド間の分離に関わる。水晶発振周波数から離れた周波数におけるLC発振と水晶発振周波数近傍の周波数ロック状態における短期安定性の指標としてアラン分散を示す。ここで、アラン分散は式(数21)のように定義される。2重共振のアラン分散は10-10の大きさを示した。この測定において、環境ドリフトはシールドケースによって減少された。この結果は標準的な水晶発振回路と比較して合理的な値を示している。
In the single variable capacitance diode control, the frequency shift shown in the increase / decrease of the bias is different, whereas in the double variable capacitance diode control, the same frequency displacement is shown.
Frequency stability is important in voltage controlled oscillator circuits. The sensor drive circuit is related to the resolution and reproducibility of the measurement, and the communication application is related to separation between adjacent frequency bands. Allan dispersion is shown as an index of short-term stability in the LC oscillation at a frequency away from the crystal oscillation frequency and in the frequency locked state near the crystal oscillation frequency. Here, the Allan variance is defined as shown in Equation 21. The Allan dispersion of the double resonance showed a magnitude of 10-10 . In this measurement, environmental drift was reduced by the shield case. This result shows a reasonable value compared with a standard crystal oscillation circuit.

図18、19はバイアス電圧降下時のアラン分散σを示している。有限長のサンプルに対するアラン分散は式(数21)で定義される。回路の発振周波数fτ nはカウンターによって指示された周波数である。τはゲート時間、nは順序を表す番号である。発振周波数の偏差は共振周波数f0と偏差Δfτ nである。正規化された周波数変移はyτ nのように無次元量で定義される。 18 and 19 show the Allan variance σ when the bias voltage drops. The Allan variance for a finite sample is defined by equation (21). The oscillation frequency f τ n of the circuit is the frequency indicated by the counter. τ is a gate time, and n is a number representing an order. The deviation of the oscillation frequency is the resonance frequency f 0 and the deviation Δf τ n . The normalized frequency shift is defined by a dimensionless quantity such as y τ n .

正規化されて無次元化された周波数変位が yτ n である。 The normalized and dimensionless frequency displacement is y τ n .

単一可変容量ダイオード制御の場合の短期安定度を示す。水晶発振周波数にロックされているときアラン分散は一般に10−9〜10−8台の大きさ、ゲート時間の範囲によっては10-10を示す。次に、2重可変容量ダイオード制御の短期安定度を示す。おなじく、アラン分散は一般に10−9〜10−8台の大きさを示す。 The short-term stability in the case of single variable capacitance diode control is shown. When locked to the crystal oscillation frequency, the Allan dispersion is generally on the order of 10 −9 to 10 −8 and 10 −10 depending on the gate time range. Next, short-term stability of double variable capacitance diode control is shown. Similarly, Alain dispersion generally exhibits a size of 10 −9 to 10 −8 units.

水中に振動子を浸漬した場合のモデル化について、説明する。水晶振動子が液体中に浸漬された場合、リーク電流の増大や並列容量の増大、粘性によるエネルギーの散逸その他が生じ、誘電率の増大により電極間の並列容量C0の増大が生じる。この静電容量の増大はC0Wと記述される。リーク電流は抵抗RWで記述される。液体中における粘性の増大は等価的抵抗の増大を生じる。増大した等価抵抗はR1 Wで記述される。2重共振型発振回路は液体中の水晶振動子に接続されている。C0Wと C0 をRCとLCに導入等価的抵抗をR1 CCi、等価的キャパシタンスを C1 CCiと記述すると、L1 CCi は C1 CCiと共振角周波数 ωの項によって表される。RW を R1 CCi と C1 CCiに含めて合成して RWCCi と CWCCiが求められる。 Modeling when the vibrator is immersed in water will be described. When the crystal unit is immersed in a liquid, an increase in leakage current, an increase in parallel capacitance, energy dissipation due to viscosity, and the like occur, and an increase in the dielectric constant increases the parallel capacitance C 0 between the electrodes. This increase in capacitance is described as C 0W . Leakage current is described by the resistor R W. An increase in viscosity in the liquid results in an increase in equivalent resistance. The increased equivalent resistance is described by R 1 W. The double resonance type oscillation circuit is connected to a crystal resonator in liquid. If C 0W and C 0 are introduced into R C and L C , the equivalent resistance is R 1 CCi and the equivalent capacitance is C 1 CCi , then L 1 CCi is expressed by the terms C 1 CCi and resonance angular frequency ω . R WCCi and C WCCi are obtained by combining R W with R 1 CCi and C 1 CCi .

本発明の圧電振動回路により、液体媒質中における誘電率あるいは電気伝導度の変化を発振周波数の変化として検出することができる。水中では、微小な電気伝導度の変化として、金属イオン、OHイオンなどの定量が可能であるため、水中におけるイオン反応のモニターに使用できる。強磁場化で水晶振動子の発振周波数が影響を受けないため、強磁場中の液体浸漬環境において同様の測定が可能である。   With the piezoelectric vibration circuit of the present invention, a change in dielectric constant or electrical conductivity in a liquid medium can be detected as a change in oscillation frequency. In water, metal ions, OH ions, and the like can be quantified as minute changes in electrical conductivity, and therefore can be used for monitoring ion reactions in water. Since the oscillation frequency of the crystal unit is not affected by the strong magnetic field, the same measurement is possible in a liquid immersion environment in a strong magnetic field.

また気体中において大面積の電極を有する水晶振動子は電極間容量の増加によって発振できなくなることがあるが、大面積の電極間容量を負荷容量としてとらえた場合、本発明による回路で励起可能である。   In addition, a crystal resonator having a large area electrode in gas may not oscillate due to an increase in interelectrode capacitance. However, when the large interelectrode capacitance is regarded as a load capacitance, it can be excited by the circuit according to the present invention. is there.

さらに同調キャパシターを電圧制御可変容量ダイオードに変更することで、センサー駆動回路として用いた場合、従来の2重共振回路によって実現していた大きな負性抵抗によって液体媒質中での連続発振が可能、回路定数の可変による水晶共振周波数から低周波側への発振周波数の追尾に加えて、電圧調整により自動的な追尾が可能となる。   Furthermore, by changing the tuning capacitor to a voltage-controlled variable capacitance diode, when used as a sensor drive circuit, continuous oscillation in a liquid medium is possible due to the large negative resistance realized by the conventional double resonance circuit. In addition to tracking the oscillation frequency from the crystal resonance frequency to the low frequency side by changing the constant, automatic tracking can be performed by voltage adjustment.

また同調用静電容量を取り替える場合、電源を1度オフにする必要があるが、連続的に可変できるため、センサー駆動回路を動作状態で周波数を変化させることができる。水晶発振回路の同調領域の外側ではLC発振に自動的に移行するため、連続周波数可変範囲が著しく広くなるという効果をもたらす。   When the tuning capacitance is replaced, the power source needs to be turned off once. However, since it can be continuously changed, the frequency can be changed while the sensor driving circuit is in an operating state. Since it automatically shifts to LC oscillation outside the tuning region of the crystal oscillation circuit, there is an effect that the continuous frequency variable range becomes remarkably wide.

従来型発振回路の回路図Circuit diagram of conventional oscillator circuit 従来型回路の等価回路-1Equivalent circuit of conventional circuit-1 従来型回路の等価回路-2Equivalent circuit of conventional circuit-2 従来型回路の等価回路-3Equivalent circuit of conventional circuit-3 従来型回路の等価回路-4Equivalent circuit of conventional circuit-4 本発明になる発振回路の回路図Circuit diagram of oscillation circuit according to the present invention 本発明になる発振回路の等価回路-1Equivalent circuit of the oscillation circuit according to the present invention-1 本発明になる発振回路の等価回路-2Equivalent circuit of the oscillation circuit according to the present invention-2 本発明になる発振回路の等価回路-3Equivalent circuit of oscillation circuit according to the present invention-3 単一可変容量ダイオード周波数制御方式での構成とした発振回路Oscillation circuit configured with single variable capacitance diode frequency control system 2重可変容量ダイオード周波数制御方式とした発振回路Oscillation circuit with double variable capacitance diode frequency control system 単一可変容量ダイオード周波数制御方式の周波数制御特性Frequency control characteristics of single variable capacitance diode frequency control system 周波数制御特性の理論解析結果Theoretical analysis results of frequency control characteristics 2重可変容量ダイオード周波数制御方式の周波数制御特性Frequency control characteristics of double variable capacitance diode frequency control system 周波数制御特性の理論解析結果Theoretical analysis results of frequency control characteristics 単一可変容量ダイオード制御における線形性の観測結果Observation of linearity in single variable capacitance diode control. 2重可変容量ダイオード制御における線形性の観測結果Observation of linearity in double variable capacitance diode control 単一可変容量ダイオード制御でのバイアス電圧降下時のアラン分散σAllan variance σ at bias voltage drop in single variable capacitance diode control 2重可変容量ダイオード制御でのバイアス電圧降下時のアラン分散σAllan variance σ when bias voltage drops under double variable capacitance diode control 従来型回路(Colpitts回路)と発明になる発振回路(Double resonance)の負性抵抗ならびに等価容量の比較Comparison of negative resistance and equivalent capacitance of conventional circuit (Colpitts circuit) and invented oscillation circuit (Double resonance) 従来型回路(Colpitts回路)の負性抵抗の並列容量C0をパラメータとした周波数依存性Frequency dependence of negative resistance of conventional circuit (Colpitts circuit) with parallel capacitance C 0 as parameter 本発明回路(Double resonance)の負性抵抗の並列容量C0をパラメータとした周波数依存性Frequency dependence of the negative resistance of the circuit of the present invention (Double resonance) with the parallel capacitance C 0 as a parameter 従来型回路(Colpitts回路)の負性抵抗の並列容量Gmをパラメータとした周波数依存性(回路定数: Gm パラメータとして変化させる; C0 は0 pF。 C2、C3 =20 pF、 R2 =1 MΩ)Conventional circuit negative resistance of the parallel capacitance Gm parameters and the frequency dependence of (Colpitts circuit) (circuit constants:. Varied as G m parameters; C 0 is 0 pF C 2, C 3 = 20 pF, R 2 = 1 MΩ) 本発明回路(Double resonance)の負性抵抗の並列容量Gmをパラメータとした周波数依存性(回路定数: パラメータとして変化させる; C0 は0 pF。L2、L3 = 30 μH; Q値 Q2 、Q3= 100)Frequency dependence with the parallel capacitance Gm of the negative resistance of the circuit of the present invention (Double resonance) as a parameter (circuit constant: change as parameter; C 0 is 0 pF. L 2 , L 3 = 30 μH; Q value Q 2 , Q 3 = 100) 水中浸漬時の水晶振動子モデルCrystal resonator model when immersed in water 水中浸漬時の水晶振動子モデルを用いた発振回路の等価回路-1Equivalent circuit of oscillation circuit using quartz crystal model when immersed in water-1 水中浸漬時の水晶振動子モデルを用いた発振回路の等価回路-2Equivalent circuit of oscillation circuit using quartz crystal model when immersed in water-2 水中浸漬時の水晶振動子モデルを用いた発振回路の等価回路-3Equivalent circuit of an oscillation circuit using a crystal unit model immersed in water-3 水中における発振の場合の負性抵抗の周波数の関数としての提示回路定数 実線 CX= 0 pF; 破線 15 pF; 1点鎖線 30 pF; RW = 10 kΩ 一定 その他の定数: C0W =30 pF; Gm =10 mA/V; L2 、 L3 =10 μH; Q値 Q2 、Q3=100。Presented circuit constant as a function of frequency of negative resistance for oscillation in water Solid line C X = 0 pF; Dashed line 15 pF; Dotted line 30 pF; R W = 10 kΩ constant Other constants: C 0W = 30 pF G m = 10 mA / V; L 2 , L 3 = 10 μH; Q value Q 2 , Q 3 = 100. 水中発振の場合の負性抵抗の周波数関数による表示回路定数 実線 RW= 10kΩ; 破線 3 kΩ; 1点鎖線 1 kΩ; Cx = 30 pF 一定。 その他の回路定数 C0W = 30 pF; Gm= 10 mA/V; L2 、L3 = 10 μH; Q値 Q2 、Q3= 100。Display circuit constant by frequency function of negative resistance in case of underwater oscillation Solid line R W = 10kΩ; Broken line 3 kΩ; Dash-dot line 1 kΩ; C x = 30 pF constant. Other circuit constants C 0W = 30 pF; G m = 10 mA / V; L 2 , L 3 = 10 μH; Q values Q 2 and Q 3 = 100. 水中の圧電振動励振の実施概要Outline of implementation of piezoelectric vibration excitation in water 水中における実験結果の提示Presenting experimental results in water 空気中における実験結果の提示Presentation of experimental results in air

図21に示すように図6に示す回路を作製し、圧電振動素子3を容器4内の水5に浸漬して実験を行った。発振回路1は液面直上に配置した。
水中における実験結果を図22に示す。図中の○は回路のバイアス電流、△は非共振時のL/C共振周波数、□は水晶振動子の2重共振(Double resonance)周波数、20 pFにおける共振周波数の跳びによる2重共振の始まりを示している。周波数の固定(Frequency locking)が20 pFから36 pFの間で観測された。20 pFにおいて、バイアス電流が突然増大し、つぎに、バイアス電流は次第に減少して行く。L/C共振の共振周波数はキャパシターCXによって調整された。
As shown in FIG. 21, the circuit shown in FIG. 6 was prepared, and the experiment was performed by immersing the piezoelectric vibration element 3 in the water 5 in the container 4. The oscillation circuit 1 was disposed immediately above the liquid level.
The experimental results in water are shown in FIG. In the figure, ○ is the bias current of the circuit, △ is the L / C resonance frequency at non-resonance, □ is the double resonance frequency of the crystal resonator, and the beginning of double resonance due to resonance frequency jump at 20 pF Is shown. Frequency locking was observed between 20 pF and 36 pF. At 20 pF, the bias current suddenly increases and then the bias current gradually decreases. The resonance frequency of the L / C resonance was adjusted by the capacitor CX .

表1は実験に使用した水晶振動子の等価回路定数である。   Table 1 shows the equivalent circuit constants of the crystal units used in the experiment.

図6の回路を作製し、空気中における実験結果を図23に示す。図中の○は回路のバイアス電流、△は非共振時のL/C共振周波数、□は水晶振動子の2重共振の周波数、4 pFにおける共振周波数の跳びによる2重共振の始まりの例を示している。周波数の固定(Frequency locking)が4 pFから40 pFの間で観測された。L/C共振の共振周波数がキャパシターCXによって調整された。4 pFにおいて、バイアス電流が突然増大し、つぎに、バイアス電流は次第に減少して行く。水中発振と空中発振実験において同じ水晶振動子を使用した。本発明
になる発振回路において、水晶振動子の電極部分を両面とも水中に浸漬している。液体用途の片面だけを露出したQCM、(One Face Open QCM) に対して、本発明回路の実験では両面が液体媒質に触れている。従来型のコルピッツ型発振回路は水中に両面の電極を浸漬すると発振が停止するのに対して、本発明になる発振回路において、水晶振動子の電極部分を両面とも水中に浸漬しても発振特性が得られる。
The circuit shown in FIG. 6 was produced, and the experimental results in air are shown in FIG. In the figure, ○ is the bias current of the circuit, △ is the L / C resonance frequency at non-resonance, □ is the frequency of the double resonance of the crystal resonator, and an example of the start of double resonance by jumping the resonance frequency at 4 pF Show. Frequency locking was observed between 4 pF and 40 pF. The resonance frequency of the L / C resonance was adjusted by the capacitor CX . At 4 pF, the bias current suddenly increases, and then the bias current gradually decreases. The same quartz crystal was used in underwater and air oscillation experiments. In the oscillation circuit according to the present invention, both electrode portions of the crystal resonator are immersed in water. In contrast to QCM (One Face Open QCM) where only one side is exposed for liquid use, both sides are in contact with the liquid medium in the experiment of the circuit of the present invention. The conventional Colpitts oscillation circuit stops oscillating when both electrodes are immersed in water. In the oscillation circuit according to the present invention, oscillation characteristics can be obtained even if both crystal electrodes are immersed in water. Is obtained.

1 発振回路
2 出力
3 圧電振動素子
4 液体容器
5 液体(水)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Oscillation circuit 2 Output 3 Piezoelectric vibration element 4 Liquid container 5 Liquid (water)

Claims (4)

インバーターの入出力間にコンデンサーと圧電振動子を並列接続した回路と、
第1のコイル、第2のコイルを直列接続した回路を備え、
前記第1のコイル、前記第2のコイルの接続点と回路の接地点間にパスコンデンサーを備え、前記接続点と前記接地点間を交流に対して短絡させ、さらに電源と接地間にはコンデンサーを挿入し、交流に対して短絡させ、前記インバーターの電源端子と接地端子間に電圧を印加し、発振回路として構成することを特徴とした圧電振動回路。
A circuit in which a capacitor and a piezoelectric vibrator are connected in parallel between the input and output of the inverter;
A circuit comprising a first coil and a second coil connected in series;
Said first coil, said second comprising a path condenser between the ground point of the connection point and the circuit of the coil, the are short connection point and to the AC between the ground point, between more power and ground capacitor A piezoelectric vibration circuit characterized in that an oscillating circuit is configured by inserting a short circuit with respect to alternating current and applying a voltage between a power supply terminal and a ground terminal of the inverter.
前記インバーターの入出力間のコンデンサーは、同調キャパシターまたは電圧制御可変容量ダイオードであることを特徴とする請求項1に記載の圧電振動回路 2. The piezoelectric vibration circuit according to claim 1, wherein the capacitor between the input and output of the inverter is a tuning capacitor or a voltage-controlled variable capacitance diode . 前記インバーターを構成する半導体は、FET、またはバイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項1に記載の圧電振動回路 The piezoelectric vibration circuit according to claim 1, wherein the semiconductor constituting the inverter is an FET or a bipolar transistor . 前記圧電振動子は、水晶の結晶体、またはセラミックの焼結体であることを特徴とする請求項1に記載の圧電振動回路 The piezoelectric vibration circuit according to claim 1, wherein the piezoelectric vibrator is a crystal of crystal or a sintered body of ceramic .
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