JP7516009B2 - 発振器、撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、発振器、撮像装置に関する。

３０ＧＨｚ～３０ＴＨｚの周波数帯の所定の電磁波であるテラヘルツ波を発生させる小型の発振器にとして、共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）などの負性抵抗素子を含む発振回路（共振器）を用いることがある。この発振回路は、負性抵抗素子が負性抵抗の特性を有する電圧値を、負性抵抗素子に印加するような電圧バイアス回路と接続している。なお、負性抵抗素子は、所定の電磁波の周波数（所定の周波数）だけでなく、広い周波数帯域において利得を持つ。このため、負性抵抗素子と電圧バイアス回路を接続することによって、所定の周波数よりも低い共振点での電磁波の発振（以下、「寄生発振」と呼ぶ）が生じるので、これを抑制する必要がある。

これに関し、特許文献１および特許文献２には、負性抵抗素子１０１を含む発振回路１００と電圧バイアス回路２００とを含む発振器が開示されている。特許文献１では、図１５（Ａ）が示すように、負性抵抗素子１０１に対して並列に抵抗素子３０１（シャント抵抗素子；抵抗）を配置することで、寄生発振を抑制する構成が開示されている。また、特許文献２では、図１５（Ｂ）が示すように、負性抵抗素子１０１に対して並列に容量素子３０２（シャント容量素子；容量）を配置することで、寄生発振を抑制する構成が開示されている。

特許第５７１７３３６号公報 特許第５６１２８４２号公報

しかし、特許文献１に係る発振器では、抵抗素子３０１が存在するため、電圧バイアス回路２００は、定常的な直流電流を流す必要がある。このため、所定の電磁波の発振を安定に行うために、発振器は電力を消費し続ける必要があるという課題がある。一方、特許文献２に係る発振器では、電圧バイアス回路２００は、瞬時電流を流すのみで直流電流が不要なため、特許文献１に係る発振器に比べて消費電力は低減することができる。しかし、容量素子３０２による寄生発振の抑制には、安定性に課題がある。

従って、本発明は、消費電力の増加を抑制しつつ、寄生発生の抑制を安定して行うことができる発振器を提供することを目的とする。

本発明の１つの態様は、
負性抵抗素子を含む共振器と、
前記負性抵抗素子に電圧を印加する電圧バイアス回路と、
抵抗と容量とが電気的に直列に接続されているシャント素子と、
１または複数の第２シャント素子と、
を備え、
前記共振器と前記シャント素子とは、前記電圧バイアス回路の正側電源端子および負側電源端子のそれぞれに並列に接続されて、電源電圧が供給され、
前記シャント素子の一方の端子は、前記共振器と前記電圧バイアス回路間の配線に接続されており、
前記１または複数の第２シャント素子のそれぞれは、容量を含み、
前記電圧バイアス回路に対して、前記１または複数の第２シャント素子のそれぞれと前記負性抵抗素子と前記シャント素子とが電気的に並列に接続されており、
前記シャント素子と前記１または複数の第２シャント素子とはそれぞれ、高周波側のカットオフ周波数に対応する波長の１／４以下の長さの配線によって、前記負性抵抗素子と接続されている、
ことを特徴とする発振器である。

本発明によれば、発振器において、消費電力の増加を抑制しつつ、寄生発振の抑制を安定して行うことができる。

実施形態１に係る発振器の回路構成図である。 負性抵抗素子における電圧－電流特性を説明する図である。 実施形態１および比較例に係る電磁波の損失を示す図である。 実施形態１に係る発振器の外部構成を示す図である。 実施形態１に係る発振器の外部構成を示す図である。 実施形態１に係るシャント素子の外部構成を示す図である。 実施形態１および実施形態２に係る発振器の回路構成図である。 実施形態２に係る発振器の外部構成を示す図である。 実施形態２および実施形態３に係る電磁波の損失を示す図である。 実施形態３および実施形態４に係る発振器の回路構成図である。 実施形態３に係る発振器の外部構成を示す図である。 実施形態４および実施形態５に係る発振器の外部構成を示す図である。 実施形態５に係る発振器を説明する図である。 実施形態６および変形例１に係る撮像装置を説明する図である。 従来の発振器を説明する回路構成図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。ただし、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形、変更が可能である。

＜実施形態１＞
本実施形態に係る発振器では、負性抵抗素子に電圧を印加する電圧バイアス回路に対して、当該負性抵抗素子と、直列に配置した抵抗および容量を有するシャント素子とを電気的に並列に接続する。これにより、消費電力の増加を抑制しつつ、寄生発生の抑制を安定して行うことのできる発振器を実現する。

［発振器の回路構成］
本実施形態に係る発振器１の回路構成について図１（Ａ）、図１（Ｂ）を用いて説明する。図１（Ａ）は、発振器１の簡易的な回路構成（最小回路構成）を示しており、図１（Ｂ）は、発振器１のより詳細な回路構成を示している。発振器１は、発振回路１００、電圧バイアス回路２００、シャント素子３１０を有する。

発振回路１００は、負性抵抗素子１０１、容量１０２、インダクタ１０３といった素子を有する共振器（テラヘルツ発振回路）である。より詳細には、負性抵抗素子１０１と、これに対して並列に接続された容量１０２とインダクタ１０３が、発振回路１００を構成している。発振回路１００は、電圧バイアス回路２００により、負性抵抗素子１０１に所定の電圧が印加されることにより、３０ＧＨｚ～３０ＴＨｚの間において、所定の周波数の電磁波（テラヘルツ波；所定の電磁波）の発振を行う。つまり、所定の電磁波は、発振回路１００の設計パラメータで主に決まる、発振回路１００が発振する（共振する）電磁波である。なお、以下では、発振回路１００による所定の電磁波（テラヘルツ波）の発振を、「テラヘルツ発振」と呼ぶ。

負性抵抗素子１０１には、電圧制御型負性抵抗を用いることができる。具体的には、電流注入型の共鳴トンネルダイオード（Ｒｅｓｏｎａｎｔ ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ Ｄｉｏ
ｄｅ：ＲＴＤ）を用いることにより、所定の電磁波の周波数（テラヘルツ周波数）での発振回路１００を構成することができる。この共鳴トンネルダイオードは、ＧａＡＳ，ＩｎＰ基板上に格子整合系でエピタキシャル成長されたＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓから成る量子井戸により構成される。

図２は、負性抵抗素子１０１（ＲＴＤ）の両端子（アノード、カソード）間に印加した電圧Ｖと、負性抵抗素子１０１に流れる電流Ｉとの電圧－電流特性（電圧電流特性）を示す。この電圧－電流特性では、電圧増加に対して電流値が増加する領域ＰＲと、電圧増加に対して電流値が減少する領域ＮＲとの２つの領域に分けることができる。この電圧増加に対して、電流値が減少する領域ＮＲが、負性抵抗の特性を有している領域であり、以後、「負性抵抗領域」と呼ぶ。ここで、負性抵抗領域中の電圧値Ｖｏｐを、負性抵抗素子１０１の両端子間に印加することにより、負性抵抗素子１０１と、容量１０２およびインダクタ１０３との間で、テラヘルツ周波数ｆｔの電磁波（テラヘルツ波）が発振する。なお、印加する電圧値Ｖｏｐは、発振の安定性を高めるために、負性抵抗領域ＮＲの電圧範囲の中心付近の値を設定することが望ましい。ただし、これに限らず、負性抵抗領域であれば、それ以外の電圧を印加することもできる。

また、電圧値Ｖｏｐを印加しているときに、負性抵抗素子１０１に流れる電流値がＩｏｐである。なお、電圧値Ｖｏｐの具体的な値としては、負性抵抗素子１０１が有するパラメータによって変化するが、一般的には、概ね０．５～１．５Ｖ（ボルテージ）の範囲（０．５Ｖ以上１．５Ｖ以下）であることが多い。一方、電流値Ｉｏｐの具体的な値としては、同じように負性抵抗素子１０１が有するパラメータによって変化するが、一般的には、概ね２０～１５０ｍＡ（ミリアンペアー）の範囲（２０ｍＡ以上１５０ｍＡ以下）であることが多い。ただし、この電圧値範囲や電流値範囲に限定されず、この範囲以外でも適用可能であり、同様の効果を得ることができる。

電圧バイアス回路２００は、負性抵抗素子１０１（ＲＴＤ）に負性抵抗領域の電圧値Ｖｏｐ（直流電圧）を印加するための回路である。電圧バイアス回路２００は、例えば、図１（Ｂ）が示すように、理想的な電圧源２０１と、寄生インダクタ４１１、寄生抵抗４１２、寄生容量４１３などを有している。また、電圧バイアス回路２００自身は、寄生インダクタ４１１、寄生抵抗４１２、寄生容量４１３といった寄生素子を有するため、理想的な電圧源ではない。そのため、テラヘルツ周波数ｆｔ以外の周波数での電磁波の発振（寄生発振）が、発振回路１００が有する素子と、電圧バイアス回路２００が有する寄生素子との間で発生する場合がある。

また、図１（Ａ）では省略しているが、図１（Ｂ）が示すように、発振器１における様々な機能を実現するために、発振回路１００と電圧バイアス回路２００との間には、配線部４００が存在する場合が多い。

配線部４００は、発振回路１００と電圧バイアス回路２００との間に形成され、例えば、寄生インダクタ４０１、寄生インダクタ４０２、寄生抵抗４０３、寄生容量４０４の４つの寄生素子を有する。そのため、発振回路１００が有する素子と、配線部４００が有する寄生素子との間で、テラヘルツ周波数ｆｔと異なる周波数での、寄生発振が発生する場合がある。

シャント素子３１０は、上述した発振回路１００が有する素子と他の寄生素子とによる寄生発振を防止する。シャント素子３１０は、抵抗素子３１１（シャント抵抗素子）と容量素子３１２（シャント容量素子）から構成され、それらが直列に接続された配置である。なお、本実施形態では、「シャント素子」とは、一方の端子が、共通配線（基板；グラウンド２０）に接続されており、他方の端子が、発振回路１００と電圧バイアス回路２０
０間の配線に接続される素子である。

［電磁波の損失特性］
続いて、本実施形態のシャント素子３１０による寄生発振の抑制の効果を図３（Ａ）～図３（Ｃ）を用いて説明する。図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、比較例の発振器が有するシャント素子による電磁波の損失特性（遮断特性）を示す。図３（Ｃ）は、本実施形態に係る発振器１のシャント素子３１０による電磁波の損失特性を示す。

ここで、図３（Ａ）～図３（Ｃ）は、シャント素子が有する、周波数ごとの電磁波の損失特性を示す模式図である。また、図３（Ａ）～図３（Ｃ）が示すグラフでは、横軸は、周波数を示し、縦軸は、シャント素子での電磁波の損失の大きさの一例を示している。ここで、損失（損失量）が多いほど、電磁波の発振を抑制することができる。なお、以下では、シャント素子が損失を有する範囲の境界の周波数を「カットオフ周波数（遮断周波数）」と呼ぶ。つまり、シャント素子は、高周波側のカットオフ周波数と低周波側のカットオフ周波数との間の周波数帯域の電磁波の発振を抑制することができる。

図３（Ａ）～図３（Ｃ）において、テラヘルツ周波数がｆｔ（３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下）であり、寄生発振周波数がｆｐ１，ｆｐ２，ｆｖである。寄生発振周波数ｆｐ１，ｆｐ２は、発振回路１００と配線部４００の寄生素子とにより発振する電磁波の発振周波数である。また、寄生発振周波数ｆｖは、発振回路１００と、電圧バイアス回路２００内の寄生素子とにより発振する電磁波の発振周波数である。

（シャント素子として抵抗素子を用いる場合）
まず、図３（Ａ）は、シャント素子として「抵抗素子（抵抗）」を用いた場合の損失特性例を示している。この場合、シャント素子は、テラヘルツ周波数ｆｔより少し小さい全ての周波数において、損失Ｌ１を有しているため、寄生発振周波数ｆｐ１，ｆｐ２，ｆｖにおける寄生発振を抑制できる。つまり、本例では、発振器は、広い範囲の周波数帯域に対して損失を有するため、十分に寄生発振を抑制することができる。一方、本例の発振器では、抵抗素子に対して定常的に電流が流れてしまうため、不要な電力消費が生じてしまう。

（シャント素子として容量素子を用いる場合）
図３（Ｂ）は、シャント素子として「容量素子（容量）」を用いた場合の損失特性例を示している。図３（Ｂ）では、発振器が、２つの容量素子を備えた構成の例について説明する。より詳細には、発振器は、所定の容量値の容量素子（容量値の小さい容量素子）と、これよりも容量値の大きい容量素子を備える。

容量値の小さい容量素子は、テラヘルツ周波数ｆｔより低い周波数のｆｐ２の周辺で損失Ｌ３を有しており、寄生発振周波数ｆｐ２での寄生発振を抑制する。しかし、当該容量素子のみでは、より低い周波数での損失を発生させることができないため、発振器は、容量値の大きい容量素子をさらに備えている。容量値の大きい容量素子は、寄生発振周波数ｆｐ２より低い寄生発振周波数ｆｐ１，ｆｖの周辺で損失Ｌ２を有しており、寄生発振周波数ｆｐ１，ｆｖでの寄生発振を抑制する。

しかし、本例では、寄生発振周波数ｆｖの周波数が低いような場合や、ｆｖより低い寄生発振周波数の成分があった場合には、低周波数領域に対して容量素子により損失を発生させることが難しいため、寄生発振の抑制が難しくなる。これは、周波数が高い領域に対しては、容量素子のインピーダンスを低くすることが容易であるが、周波数が低い領域に対しては、容量素子のインピーダンスを低くすることが難しいためである。また、シャント素子として用いられる容量素子と配線部４００が有する寄生インダクタ４０２とによる
共振が発生して、当該容量素子が寄生発振を引き起こす可能性すらある。

（シャント素子として抵抗素子および容量素子を用いる場合；本実施形態の場合）
図３（Ｃ）は、本実施形態のように、シャント素子３１０として、抵抗素子３１１（抵抗）と容量素子３１２（容量）を直列に接続した素子を用いる場合の損失特性例を示している。図３（Ｃ）が示すように、高い周波数においては、抵抗素子３１１が損失Ｌ０を有する。つまり、抵抗素子３１１が、寄生発振を抑制するシャント素子として動作する。このように、発振回路１００において発生した不要なエネルギーを抵抗素子３１１により適正に損失させてしまうことによって、配線部４００や電圧バイアス回路２００の寄生素子と発振回路１００との結合を防ぎ、寄生発振を抑制することができる。

一方、シャント素子３１０の低周波側のカットオフ周波数以下においては、容量素子３１２のインピーダンスが大きいため、シャント素子３１０によって発生する損失がない。言い換えると、直流付近では、シャント素子３１０がオープンの状態であり、抵抗素子３１１によって損失が発生しないため、発振器１全体として電力の消費を抑制できる。従って、低周波側のカットオフ周波数が、発振回路１００内における最も低い寄生発振周波数ｆｖより低く設定されることによって、発振器１の電力の消費を抑制することができる。なお、低周波側のカットオフ周波数は、容量素子３１２と抵抗素子３１１の時定数により決まる周波数であるため、抵抗値と容量値をそれぞれ調整するによって、非常に低い周波数まで調整することが可能である。

なお、本実施形態では、寄生インダクタ４０１もしくは寄生インダクタ４１１とシャント素子３１０内の容量素子３１２との間の共振があっても、シャント素子３１０における抵抗素子３１１の損失により寄生発振を抑制することができる。

このように本実施形態に係るシャント素子３１０は、寄生発振を抑制する抵抗素子３１１（抵抗）と、直流付近での電力の消費を抑える容量素子３１２（容量）とを有する。このことにより、寄生発振の抑制と不要な電力の抑制を両立することができる。

なお、抵抗素子３１１には、安定したテラヘルツ波発振を行うために、負性抵抗領域において負性抵抗素子１０１が有するインピーダンスの絶対値｜Ｚｒｔｄ｜と、近い値の抵抗値が選ばれているとよい。具体的には、当該抵抗値には、｜Ｚｒｔｄ｜の半分から２倍まで（１／２倍以上２倍以下）の間の値が選ばれるとよい。さらに、望ましくは、当該抵抗値は、｜Ｚｒｔｄ｜の０．８倍から１．２倍（０．８倍以上１．２倍以下）の値であるとよい。

このように抵抗値が選択されることにより、より効果的に、寄生素子による寄生発振を抑制して、発振回路１００において安定したテラヘルツ発振をすることができる。なお、抵抗素子３１１の負性抵抗領域でのインピーダンスの絶対値｜Ｚｒｔｄ｜は、典型的には、数オームから数十オームの値の範囲である。また、発振器１の発振周波数によっては、絶対値｜Ｚｒｔｄ｜は、より大きな百オーム程度であってもよい。

一方、容量素子３１２の容量値は、低周波側のカットオフ周波数ｆ０（抵抗素子３１１と容量素子３１２との時定数により決まる周波数）が、寄生発振を抑制する下限の周波数以下をとるような値が設定されるとよい。具体的には、容量素子３１２の容量値Ｃは、抵抗素子３１１の抵抗値Ｒに対して、周波数ｆ０における容量素子３１２のインピーダンス１／（２πｆ０×Ｃ）が十分低い値をとるように設定される。好ましくは、インピーダンス１／（２πｆ０×Ｃ）が、抵抗値Ｒの数分の１以下の値をとるように、さらに好ましくは１０分の１以下の値をとるように、容量値Ｃが設定される。つまり、Ｒ／１０≧１／（２πｆ０×Ｃ）を満たすことが望ましい。例えば、抵抗値Ｒが１０Ωであり、周波数ｆ０
が１ＭＨｚであれば、容量素子３１２の容量値Ｃは１６０ｐＦ以上であることが好ましい。

なお、この容量値Ｃは、実装サイズの制約や、実施形態６で後述する交流バイアス回路を用いる際のスイッチング速度での問題がなければ、できるだけ大きな値にしておくことが望ましい。これらの抵抗素子３１１や容量素子３１２の値は、発振回路が有するパラメータと抑制したい寄生発振周波数との関係に基づいて、最適な値に設定されるとよい。

加えて、シャント素子３１０は、配置する位置を考慮する必要がある。具体的には、負性抵抗素子１０１とシャント素子３１０とを接続する配線の長さを、シャント素子３１０が寄生発振を抑制しようとする（損失を有する）最大の寄生発振周波数の電磁波の波長λの１／４以下にする必要がある。図３（Ｃ）の示す例であれば、当該配線の長さを、寄生発振周波数ｆｐ２の電磁波の波長の１／４にする必要がある。これは、交流信号の波長が短いと、配線の位置が少し変わっただけで、位相が大きく変化してしまい、配線端での反射による等価容量や等価インダクタが発生するからである。特に、波長の短いギガヘルツからテラヘルツでの寄生発振を抑制する場合には、負性抵抗素子１０１のより近傍にシャント素子３１０を配置する必要がある。このように、負性抵抗素子１０１とシャント素子３１０とを接続する配線の長さが波長λの１／４以下であれば、配線端での反射による等価容量や等価インダクタの発生を抑えることができ、寄生発振を抑制することができる。なお、シャント素子３１０が寄生発振を抑制しようとする最大の寄生発振周波数の電磁波の波長とは、シャント素子３１０の高周波側のカットオフ周波数に対応する波長ということもできる。

なお、所定の電磁波（テラヘルツ波）の波長λｍの１／４以下に、負性抵抗素子１０１とシャント素子３１０とを接続する配線の長さをしてもよい。これによれば、所定の電磁波のテラヘルツ周波数ｆｔよりも周波数の低い寄生発振周波数の全てにおいて、配線端での反射による等価容量や等価インダクタの発生を抑えることができるため、より効果的に寄生発振を抑制することができる。

［発振器の外部構成について］
以下にて、発振器１の外部構成について、図４（Ａ）～図６（Ｂ）を用いて説明する。図４（Ａ）は、本実施形態の発振器１の外部構成を示す模式図であり、図４（Ｂ）は、発振器１が有するチップ６００および周辺をより詳細に示す模式図である。

発振器１は、図４（Ａ）が示すように、プリント回路基板５００（ＰＣＢ）、パッケージ５０１（ＰＫＧ）、チップ６００（Ｃｈｉｐ）、電圧バイアス回路２００を有する。

チップ６００およびその周辺には、図４（Ｂ）が示すように、チップ６００およびワイヤー６１１、ワイヤー６１２、ワイヤーボンディング用（ワイボン用）の電極６４１が形成されている。また、チップ６００には、負性抵抗素子１０１を含む発振回路１００、シャント素子３１０、アンテナ６０２、配線６０３、配線６０５、ワイヤーボンディング用の２つの電極６４０が形成されている。従って、本実施形態では、発振器１は、図７（Ａ）が示すような回路構成であり、発振回路１００とシャント素子３１０がチップ６００に形成されており、電圧バイアス回路２００がプリント回路基板５００に形成されている。

チップ６００は、パッケージ５０１内に実装されている。図４（Ｂ）が示すように、チップ６００の２つの電極６４０は、パッケージ５０１が有する２つの電極６４１とそれぞれ、ワイヤーボンディングによりワイヤー６１１，６１２によって電気的に接続されている。なお、チップ６００は、典型的には、１ｍｍ弱角から、数ｍｍ角のものを用いるが、それよりサイズの大きな１０ｍｍ角のものを用いることもできる。

また、プリント回路基板５００上には、図４（Ａ）が示すように、パッケージ５０１と電圧バイアス回路２００が実装されている。このため、プリント回路基板５００とパッケージ５０１とが有する配線を介して、チップ６００における発振回路１００と電圧バイアス回路２００とが電気的に接続されている。これにより、電圧値Ｖｏｐの直流電圧が、電圧バイアス回路２００から発振回路１００に印加され、テラヘルツ周波数ｆｔにおいて発振回路１００がテラヘルツ発振するように設定されている。

図５（Ａ）は、図４（Ｂ）のチップ６００におけるＡ１－Ａ２－Ａ３－Ａ４断面を模式的に示す図である。図５（Ａ）が示すように、チップ６００上には、絶縁膜６２０が形成されている。発振回路１００は、絶縁膜６２０の深さ方向に埋め込まれるように、チップ６００上に形成されており、発振回路１００の一方の端子はチップ６００（チップ６００の基板電位）に接続されている。発振回路１００の他方の端子は、チップ６００上に形成されたアンテナ６０２に接続されている。なお、チップ６００の基板電位は、絶縁膜６２０を貫通した配線６１３により、電極６４０に接続されている。

シャント素子３１０は、一方の端子がチップ６００（チップ６００の基板電位）に接続されている。また、シャント素子３１０の他方の端子は、配線６０３を介してアンテナ６０２と、配線６０５を介して電極６４０とに接続されている。従って、本実施形態では、配線６０３が、シャント素子３１０と発振回路１００（負性抵抗素子１０１）とを接続する配線である。

アンテナ６０２のサイズは、テラヘルツ周波数ｆｔに応じて、最適な大きさにすればよく、例えば、百μｍ角から数百μｍ角の大きさである。なお、アンテナ６０２には、テラヘルツ周波数ｆｔによっては、より大きな数ｍｍ角のものを用いることができる。また、本実施形態の発振器１のアンテナ６０２は、正方形状のアンテナに限らず、所定の電磁波（テラヘルツ波）を発振することができれば、どのようなアンテナ形状でもよい。

（シャント素子の詳細な構成）
シャント素子３１０の詳細の構成例を、図６（Ａ）、図６（Ｂ）を用いて説明する。図６（Ａ）は、図４（Ｂ）が示しているシャント素子３１０付近を拡大した模式図である。

シャント素子３１０は、アンテナ６０２への配線６０３と、電極６４０への配線６０５との接点Ｂ０に接続されている。図６（Ａ）が示すように、接点Ｂ０には、抵抗素子３１１の抵抗部６３１が接続され、その先で、容量素子３１２の上部電極６３２が接続されている。

図６（Ｂ）は、図６（Ａ）のＢ１－Ｂ２断面によって、シャント素子３１０を切断した模式図である。チップ６００上に、上部電極６３２と同じ大きさの下部電極６３３が形成されており、下部電極６３３と誘電膜６３４と上部電極６３２とが順に積層されることにより、コンデンサを形成している。

下部電極６３３は、チップ６００と電気的に接続されているので、負性抵抗素子１０１の両端子に対して、シャント素子３１０が電気的に並列に配置された構成となっている。

抵抗部６３１は、金属薄膜にパターンを形成して、配線長を長くした構成により容易に形成することができる。当該配線長を長くした構成は、図６（Ａ）が示す例では、ミアンダ配線構成である。金属薄膜は、アルミニウムをはじめとした、半導体の配線に対して用いられる金属であれば、任意のものを用いることができる。また、金属薄膜の抵抗値（シート抵抗値）は、金属の種類、配線の幅、厚さ、長さなどを調整して容易に調整すること
ができる。なお、金属薄膜の代わりには、ポリシリコンへのドーピング量を調整して抵抗値を制御したポリシリコン抵抗をはじめとして、チップ６００上に所望の抵抗を形成できるものであれば、任意のものを用いることができる。

誘電膜６３４は、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜などを用いて容易に形成することができる。具体的には、所望の被誘電率に応じて、低誘電率の材料や高誘電率の材料を選択することにより誘電膜６３４を形成可能である。

上部電極６３２および下部電極６３３は、アルミニウムをはじめとした金属材料により容易に形成することができる。ここで、下部電極６３３は、誘電膜６３４を形成する工程において発生する温度に耐えられる材料を選択する必要がある。また、ポリシリコンを上下電極にしたキャパシタやＭＯＳキャパシタをはじめとする所望の容量値をチップ６００上に実現できるのであれば、上部電極６３２および下部電極６３３の形成に任意のものを用いてよい。また、使用上の問題がなければ、チップ６００を下部電極６３３の代わりとして用いることにより、下部電極６３３が含まれない構成も同様に用いることができる。

なお、本実施形態では、絶縁膜６２０と誘電膜６３４は、別の材料によって構成されるものとするが、この構成に限らない。例えば、所望の容量値を形成することができれば、絶縁膜６２０と誘電膜６３４に対して、酸化シリコンや、窒化シリコン膜などの同じ絶縁膜を用いることもできる。同じ絶縁膜を用いることによれば、同じチップ６００上において異なる絶縁膜（誘電膜）を形成する必要がないため、よい簡易な構成で、簡易な製造プロセスでチップ６００を形成することができる。

また、本実施形態では、発振回路１００とシャント素子３１０とを同一の部材であるチップ６００上に形成する構成であるため、負性抵抗素子１０１とシャント素子３１０の間の配線の長さ（配線６０３の長さ）を短くすることができる。つまり、負性抵抗素子１０１とシャント素子３１０とを接続する配線６０３の長さを、所定の電磁波の波長λｍの１／４の長さ以下に容易にすることができる。このため、発振器１によれば、サイズの小さな構成により、消費電力を抑制しつつ、寄生発振を安定的に抑制することができる。

なお、本実施形態では、パッケージ５０１上にチップ６００を形成した構成について説明したが、この形態に限らない。例えば、図５（Ｂ）が示すように、パッケージ５０１を介さずに、プリント回路基板５００上にチップ６００を直接形成した構成であってもよい。これにより、発振器１におけるパッケージ５０１を省くことができるので、より少ない構成要素によって発振器１を構成することができる。

（効果）
本実施形態によれば、負性抵抗素子を含む発振回路を所定の周波数で発振させる発振器において、消費電力の増加を抑制し、寄生発振の抑制を安定的に行うことができる。

＜実施形態２＞
実施形態２に係る発振器２は、シャント素子の数と配置場所が実施形態１の発振器１と異なり、それ以外は実施形態１の発振器１と同じである。以下では、図８を用いて、本実施形態に係る発振器２を説明する。本実施形態に係る発振器２では、２つのシャント素子のそれぞれが、異なる部材（チップとプリント回路基板）に形成されている。

発振器２は、実施形態１に係る発振器１が有しているプリント回路基板５００、パッケージ５０１、チップ６００、電圧バイアス回路２００に加えて、シャント素子５２０をプリント回路基板５００上に有する。

チップ６００は、実施形態１におけるシャント素子３１０の代わりに、シャント素子として容量素子３０２を有する。容量素子３０２は、容量素子３０２と発振回路１００（負性抵抗素子１０１）とを接続する配線の長さがλｍの１／４以内であるように設計されており、テラヘルツ周波数ｆｔ以下の高い周波数の寄生発振を抑制する。つまり、例えば、容量素子３０２は、図９（Ａ）が示すように、テラヘルツ周波数ｆｔ以下の寄生発振周波数ｆｐ２の周辺において損失Ｌ４を有する。なお、必ずしも、容量素子３０２と発振回路１００（負性抵抗素子１０１）とを接続する配線の長さがλｍ／４以内である必要はない。当該長さは、容量素子３０２が発振を抑制する（損失を有する）最大の寄生発振周波数ｆｐ２の電磁波の波長の１／４以下であればよい。

一方、容量素子３０２では、特定の周波数以下（例えば、寄生発振周波数ｆｐ１）の寄生発振は十分抑制できない。このため、プリント回路基板５００において、特定の周波数以下の寄生発振を抑制するシャント素子５２０が形成されている。つまり、例えば、シャント素子５２０は、図９（Ａ）が示すように、寄生発振周波数ｆｐ１，ｆｖの周辺において損失Ｌ５を有する。

また、シャント素子５２０は、シャント素子５２０と発振回路１００（負性抵抗素子１０１）とを接続する配線の長さが、寄生発振周波数ｆｐ１の波長λｐ１の１／４以内であるように設定されている。なお、シャント素子５２０は、電力消費の抑制の効果を得るために、図７（Ｂ）が示すように、実施形態１において説明したシャント素子３１０と同様に抵抗素子３１１と容量素子３１２を有する。また、シャント素子５２０が有する抵抗素子３１１および容量素子３１２は、実施形態１において説明した抵抗値および容量値の条件を満たすように設計されているとよい。

このように、本実施形態では、容量素子３０２が高い周波数の寄生発振の抑制を行うため、発振回路１００からシャント素子５２０をより遠くに配置することができる。そのため、チップ６００上に形成することが難しい大きな部品をシャント素子５２０に用いる場合にも、シャント素子５２０を適切な位置に配置することができる。

なお、シャント素子５２０は、チップ抵抗やチップコンデンサなどの表面実装チップ部品を用いて形成するとよい。これによれば、抵抗素子３１１の抵抗値や容量素子３１２の容量値を任意に選択することができるからである。

チップ抵抗は、例えば、アルミナ基板上に、金属薄膜被膜などの抵抗体をスクリーン印刷して形成されるため、様々な抵抗値や精度のものを実現することができる。また、チップコンデンサは、誘電体シートを内部電極で挟んだ構造を幾層にも積層し、プレス・焼成して形成される。従って、チップコンデンサは、積層する数や、用いる誘電体シートを選択することにより、小さな容量値（例えば、数ｐＦ）から大容量（例えば、数百μＦ）まで対応することができる。

従って、本実施形態では、シャント素子５２０に対して、大きな容量の値も容易に選択することができるため、より低周波数の寄生発振が生じうるような場合には、より安定的に寄生発振を抑制することができる。加えて、発振回路１００が形成されているチップ６００とは別の部材に、シャント素子５２０が存在する形態によれば、歩留まりの向上や、シャント素子５２０の設計の変更が容易であり、カスタマイズが実現し易いというメリットが得られる。

なお、本実施形態では、チップ６００に形成されるシャント素子として容量素子３０２を用いたが、当該シャント素子として容量素子と抵抗素子とが電気的に直列に接続された素子を用いてもよい。

これにより、発振器は、テラヘルツ周波数の帯域から、十分に低い周波数帯域までの広い周波数領域において、安定的に寄生発振を抑制することができる。さらに、シャント素子５２０にはチップ部品を用いているので、設計の制約が小さく、寄生発振をより確実に抑制することができる。

＜実施形態３＞
実施形態２に係る発振器２では、プリント回路基板５００にシャント素子５２０が形成されていたが、実施形態３に係る発振器３では、図１０（Ａ）の回路構成図が示すように、パッケージ５０１にシャント素子５２０が形成される。以下では、図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）を用いて、実施形態３に係る発振器３について実施形態２と異なる部分について説明する。

図１１（Ａ）は、本実施形態の発振器３を説明する模式図である。パッケージ５０１は、ピン５０３を備えており、プリント回路基板５００は、ピン５０３に対応したピンソケット５０４を備えている。そのため、チップ６００を備えたパッケージ５０１は、図１１（Ｂ）が示すように、プリント回路基板５００から挿抜することができる。これにより、発振器３の特性の変更をユーザが望む場合や、発振器３が故障して交換が必要になった場合にも、パッケージ５０１を交換することによって容易に対応可能である。

一方、パッケージ５０１とプリント回路基板５００を接続する配線内には、ピンソケット５０４に起因する寄生インダクタや寄生容量などの寄生素子が含まれる。このため、発振器３は、実施形態２に係る発振器２よりも寄生発振が発生しやすく、テラヘルツ波発振がより妨害されやすい。

しかしながら、本実施形態の構成によれば、パッケージ５０１内のシャント素子５２０によって、寄生発振を抑制することができるので、パッケージ５０１外に寄生素子が付加されても、安定したテラヘルツ波発振が実現できる。具体的には、本実施形態によれば、ピンソケット５０４に寄生素子を有する場合でも、パッケージ５０１内において十分低い周波数までの電磁波の損失が実現可能であるので、寄生発振を抑制することができる。

なお、発振回路１００（負性抵抗素子１０１）とシャント素子５２０とを接続する配線の長さの条件、および、発振回路１００（負性抵抗素子１０１）と容量素子３０２とを接続する配線の長さの条件は実施形態２と同様に満たされている。また、容量素子３０２に限らず、容量素子と抵抗素子とが電気的に直列に接続された素子を、容量素子３０２に代わるシャント素子として用いてもよい。

従って、本実施形態に係る発振器は、交換が容易であり、かつ、消費電力を抑制して、寄生発振の抑制を安定的に行うことができる。

＜実施形態４＞
実施形態４は、実施形態２と実施形態３とが組み合わさった実施形態である。より詳細には、本実施形態は、３つのシャント素子が、それぞれ異なる部材（チップ、パッケージ、プリント回路基板）に形成される形態である。図１２（Ａ）が示すように、本実施形態に係る発振器４は、実施形態２のように、容量素子３０２と同様の構成である容量素子５０２をプリント回路基板５００上に備えている。また、発振器４は、実施形態３のように、パッケージ５０１がプリント回路基板５００から挿抜が可能である。

チップ６００には、図１０（Ｂ）が示すように、シャント素子として容量素子３０２が形成されている。一方、パッケージ５０１に、シャント素子として容量素子５０２が形成
されている。また、プリント回路基板５００には、抵抗素子３１１と容量素子３１２を有するシャント素子５２０が形成されている。これらの容量素子３０２，５０２とシャント素子５２０のそれぞれは、異なる寄生発振を抑制するようにパラメータが設定されており、図９（Ｂ）が示すように、損失の周波数特性が連続している。

例えば、本実施形態では、図９（Ｂ）が示すように、発振回路１００と接続する配線の長さが短い容量素子３０２は、高周波数の寄生発振周波数ｆｐ２の電磁波の発振を抑制する損失Ｌ６を有する。一方、発振回路１００と接続する配線の長さが長い容量素子５０２は、寄生発振周波数ｆｐ１の電磁波の発振を抑制する損失Ｌ７を有する。また、さらに長い距離の配線を要するシャント素子５２０は、寄生発振周波数ｆｖの電磁波の発振を抑制する損失Ｌ８を有する。

言い換えると、容量素子３０２，５０２およびシャント素子５２０のそれぞれは、発振回路１００（負性抵抗素子１０１）とを接続する配線が短いほど、高い周波数帯域の電磁波の発振を抑制する。また、容量素子３０２，５０２およびシャント素子５２０のそれぞれが、自身が発振を抑制する（損失を有する）の最大周波数の電磁波における波長の１／４以下の長さの配線によって、発振回路１００（負性抵抗素子１０１）と接続されている。なお、上述するように、発振を抑制する（損失を有する）の最大周波数の電磁波における波長とは、高周波側のカットオフ周波数といえる。

なお、容量素子３０２，５０２に限らず、容量素子と抵抗素子とが電気的に直列に接続された素子を、容量素子３０２，５０２に代わるシャント素子として用いてもよい。

本実施形態に係る発振器によれば、複数のシャント素子を用いて、接続する部分ごと（チップ－パッケージ、パッケージ－プリント回路基板、プリント回路基板－電圧バイアス回路）に寄生発振を抑制できる。このため、それぞれのシャント素子のパラメータを、より最適なパラメータとすることができ、必要最小限の設計値にすることができる。

＜実施形態５＞
実施形態５に係る発振器５は、電圧バイアス回路の配置場所が実施形態１に係る発振器１と異なり、それ以外は、実施形態１に係る発振器１と同じである。

本実施形態では、図１２（Ｂ）が示すように、電圧バイアス回路２００は、パッケージ５０１を備えたプリント回路基板５００に形成されずに、他のプリント回路基板５１０に形成される。ここで、プリント回路基板５００とプリント回路基板５１０との間は、ケーブル５１３によって電気的に接続されている。具体的には、プリント回路基板５００上のコネクタ５１１と、プリント回路基板５１０上のコネクタ５１２とが、ケーブル５１３により接続されている。

このため、プリント回路基板５１０上に形成されている電圧バイアス回路２００は、ケーブル５１３を介して、パッケージ５０１内のチップ６００に電圧Ｖｏｐを印加することができる。

なお、本実施形態では、発振回路１００と電圧バイアス回路２００との間に寄生素子があっても、シャント素子３１０によって寄生発振を抑制することができる。このため、電圧バイアス回路２００を他のプリント回路基板５１０上に分離しても、ケーブル５１３を用いることによって、発振器５は、所定の電磁波（テラヘルツ波）を発振可能である。

従って、本実施形態によれば、発振器において、所定の電磁波が発振される部分（発振回路を有する部分）と電圧バイアス回路とを分離することができるので、所定の電磁波を
発振する部分の設計の制約を少なくすることができ、配置もより自由にできる。

＜実施形態６＞
実施形態１に係る発振器１では、電圧バイアス回路は、負性抵抗素子に直流電圧を印加していたが、本実施形態に係る発振器６では、電圧バイアス回路は、負性抵抗素子に交流電圧を印加する。なお、発振器６は、それ以外の構成については、実施形態１に係る発振器１と同様である。

電圧バイアス回路２１０は、図１３（Ａ）が示すように、発振回路１００（負性抵抗素子１０１）に交流の電圧（交流電圧）を印加する。具体的には、交流の電圧として、図１３（Ｂ）が示すように、所定の電磁波の発振をするための電圧値Ｖｏｐと、所定の電磁波の発振を停止させる電圧値Ｖｏｆｆとの間を、ある周波数で変化する電圧を用いることができる。電圧値Ｖｏｆｆは、負性抵抗領域以外の電圧値であればよく、例えば０Ｖである。また、交流電圧としては、図１３（Ｂ）が示すように、電圧値Ｖｏｐと電圧値Ｖｏｆｆの２値間を変化するパルス波的に遷移する電圧を用いることができる。この電圧の変化の周波数は、所定の電磁波の発振周波数より、十分低い周波数を用いる。

電圧バイアス回路２１０は、交流の電圧を生成するために、実施形態１に係る電圧バイアス回路２００に比べて複雑な動作をする。そのため、電圧バイアス回路２１０は、実施形態１に係る電圧バイアス回路２００が有する寄生素子もより大きな素子を含み、電圧バイアス回路２１０と発振回路１００による寄生発振が発生しやすい。しかしながら、発振器６は、このように寄生発振がより発生しやすい構成においても、シャント素子３１０を有することによって、効果的に当該寄生発振を抑制することができる。

なお、シャント素子３１０において、容量素子３１２と抵抗素子３１１の時定数により決まる周波数（低周波側のカットオフ周波数）は、電圧バイアス回路２１０が変化する周波数より高い必要がある。例えば、矩形波の電圧を用いる場合は、当該時定数により決まる周波数は、当該変化する周波数の望ましくは数倍以上であることが好ましい。

本実施形態によれば、寄生発振がより発生しやすい、交流の電圧バイアス回路２１０を用いた場合でも、消費電力の増加を抑制し、寄生発振の抑制を安定的に行うことができる。

＜実施形態７＞
実施形態１に係る発振器１は、撮像装置（画像取得装置）に対して適用可能であるため、本実施形態では発振器１を用いた撮像装置１０について説明する。

撮像装置１０は、図１４（Ａ）が示すように、照明８０１と撮像素子８０２を有する。照明８０１は、実施形態１に係る発振器１を有することによって、被対象８００に対してテラヘルツ波８１１（所定の電磁波）を照射する照明装置である。撮像素子８０２は、被対象８００において反射したテラヘルツ波８１２を取得（撮像）する。撮像素子８０２は、被対象８００の形状や物性値に対応して変化する被対象８００の情報を、画像として取得することができる。

このように、照明８０１に対して発振器１を用いると、撮像装置１０において、消費電力の増加を抑制し、寄生発振の抑制を安定的に行うことができるので、発熱などによる特性変動が少ない安定したテラヘルツ波の照射を行うことができる。そのため、本実施形態によれば、被対象８００の情報を正確に取得することができる撮像装置１０を提供することができる。

［変形例１］
さらに、実施形態７に係る撮像装置１０に限らず、図１４（Ｂ）が示すように、照明８０１には、実施形態６の電圧バイアス回路２１０を用いた発振器６を用いる撮像装置１１とすることができる。

図１４（Ｂ）では、撮像装置１１は、発振器６を用いた照明８０１と、撮像素子８０２と、タイミング生成手段８０３を有している。タイミング生成手段８０３は、タイミング信号８１０を、発振器６を用いた照明８０１と、撮像素子８０２に入力する。

照明８０１は、入力されたタイミング信号８１０に基づいて、電圧バイアス回路２１０の電圧変化タイミングを調整する。調整されたタイミングにより、照明８０１が、テラヘルツ波８１１の発振と停止を周期的に繰り返すことによって、被対象８００において、テラヘルツ波８１１が照射された期間と、照射されていない期間が発生する。

一方、撮像素子８０２は、入力されたタイミング信号８１０に基づいて、照明８０１がテラヘルツ波を照射した期間と、照射していない期間における被対象８００の撮像をそれぞれ行う。そして、撮像素子８０２は、２つの期間において撮像した情報の差を判定する。この差によって、撮像素子８０２は、意図して照射していない電磁波の成分（ノイズ成分）を除去することができるため、取得する画像のＳＮ比（Ｓｉｎｇａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）を向上させることができる。

本変形例によれば、ＳＮ比のより高い画像情報を取得できる撮像装置（テラヘルツ撮像装置）を提供することができる。

１：発振器、１００：発振回路、１０１：負性抵抗素子、２００：電圧バイアス回路
３１０：シャント素子、３１１：抵抗素子、３１２：容量素子

Claims (17)

1. 負性抵抗素子を含む共振器と、
   前記負性抵抗素子に電圧を印加する電圧バイアス回路と、
   抵抗と容量とが電気的に直列に接続されているシャント素子と、
   １または複数の第２シャント素子と、
   を備え、
   前記共振器と前記シャント素子とは、前記電圧バイアス回路の正側電源端子および負側電源端子のそれぞれに並列に接続されて、電源電圧が供給され、
   前記シャント素子の一方の端子は、前記共振器と前記電圧バイアス回路間の配線に接続されており、
   前記１または複数の第２シャント素子のそれぞれは、容量を含み、
   前記電圧バイアス回路に対して、前記１または複数の第２シャント素子のそれぞれと前記負性抵抗素子と前記シャント素子とが電気的に並列に接続されており、
   前記シャント素子と前記１または複数の第２シャント素子とはそれぞれ、高周波側のカットオフ周波数に対応する波長の１／４以下の長さの配線によって、前記負性抵抗素子と接続されている、
   ことを特徴とする発振器。
2. 前記シャント素子と前記１または複数の第２シャント素子とはそれぞれ、
   前記負性抵抗素子と接続する配線の長さが短いほど、より高い周波数帯域の電磁波の発振を抑制する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の発振器。
3. 前記１または複数の第２シャント素子のうちいずれかと前記共振器とは、同一のチップに形成されている、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の発振器。
4. 前記シャント素子と前記１または複数の第２シャント素子とのそれぞれは、互いに異なる部材に形成されている、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の発振器。
5. 前記１または複数の第２シャント素子のそれぞれは、抵抗を含まない、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の発振器。
6. 負性抵抗素子を含む共振器と、
   前記負性抵抗素子に電圧を印加する電圧バイアス回路と、
   抵抗と容量とが電気的に直列に接続されているシャント素子と、
   を備え、
   前記共振器と前記シャント素子とは、前記電圧バイアス回路の正側電源端子および負側電源端子のそれぞれに並列に接続されて、電源電圧が供給され、
   前記シャント素子の一方の端子は、前記共振器と前記電圧バイアス回路間の配線に接続されており、
   前記シャント素子が有する容量の容量値をＣとし、前記シャント素子が有する抵抗の抵抗値をＲとし、前記シャント素子の低周波側のカットオフ周波数をｆ０とすると、Ｒ／１０≧１／（２πｆ０×Ｃ）を満たす、
   ことを特徴とする発振器。
7. 前記負性抵抗素子と前記シャント素子とを接続する配線の長さは、前記共振器が発振する電磁波の波長の１／４以下である、
   ことを特徴とする請求項６に記載の発振器。
8. 前記共振器および前記シャント素子は、同一のチップに形成されている、
   ことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の発振器。
9. 前記電圧バイアス回路が形成された第１基板と、
   前記共振器が形成された第２基板と、
   をさらに有し、
   前記第１基板と前記第２基板とは、ケーブルを介して電気的に接続されている、
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の発振器。
10. 前記シャント素子が有する抵抗の抵抗値は、負性抵抗領域における前記負性抵抗素子のインピーダンスの絶対値の１／２倍以上、２倍以下の値であり、
    前記負性抵抗領域は、電圧電流特性において、電圧の増加に応じて電流が減少する領域である、
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の発振器。
11. 前記電圧バイアス回路は、交流の電圧を前記負性抵抗素子に印加する、
    ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の発振器。
12. 前記共振器は、アンテナを有し、
    前記シャント素子は、前記アンテナから離間して配置されている、
    ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の発振器。
13. 前記シャント素子は、配線を介してアンテナと接続している、
    ことを特徴とする請求項１２に記載の発振器。
14. 前記容量は、２つの電極を有する、
    ことを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の発振器。
15. 前記共振器と前記シャント素子は、第２基板に配され、
    前記第２基板の上には、第１電極と第２電極とが配されており、
    前記第１電極および前記第２電極は、前記電圧バイアス回路と電気的に接続する、
    ことを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の発振器。
16. 前記共振器が発振する電磁波の周波数は、３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下である、
    ことを特徴とする請求項１から１５のいずれか１項に記載の発振器。
17. 請求項１から１６のいずれか１項に記載の発振器を有する照明装置と、
    前記発振器が発振した電磁波が照射された被対象を撮像する撮像素子と、
    を備える、
    ことを特徴とする撮像装置。

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