JPS6355806B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は、圧電発振子に関する。近年のマイ
コンの発展に伴ない、圧電磁器発振子を用いたコ
ルピツツ型発振回路が広く普及して来た。特に、
Ｃ−MOSタイプのLSIを使うときは、第１図に
示す回路が広く利用されている。図において、
IVはインバータ、Ｒは帰還抵抗、CR₁は圧電セ
ラミツク発振子、C₁，C₂は外付コンデンサであ
る。この場合、通常、外付コンデンサC₁，C₂の
値を調整することによつて発振入力電圧V₁、発
振出力極電圧V₂を適当な値にして安定な発振を
させている。しかし、この回路では、外付コン
デンサと圧電セラミツク発振子の温度特性が異な
るため、発振周波数の温度特性が劣化する、外
付コンデンサが必要という二つの欠点があつた。
しかしながらこの二つの欠点は以下にのべるよう
に解決された。まず第１の欠点をなくした点につ
いて述べる。 第２図に、第１図回路の等価回路を示す。第２
図において、発振周波数foscは、 となる。 発振子CR₁のみの反共振周波数faは、 である。 一般に、

【式】なる共振回路の温 度特性は、 １／fo・dfo／dt＝−１／２（１／Ｌ・dL／dt＋１／
Ｃ・dc／dt）と なる。 ただし、ｔは温度である。 したがつて１／Ｌ・dL／dtと１／Ｃ・dC／dtがキヤン
セル すればf_pの温度特性がよいといえる。 通常、発振子CR₁は反共振周波数f_aの温度特性
のよい材料を用いている。 つまり、１／f_a・dfa／d_t≒０ したがつて、コンデンサC₁，C₂の温度係数を
並列等価容量Coの温度係数と同じにすれば
１／f_psc・df_psc／dt≒０とできる。このように、コン
デ ンサC₁，C₂の材料と発振子CR₁を構成する材料と
を一致させて発振周波数の温度特性を良好にした
ことを特徴とする先行技術（特開昭54−2043号公
報参照）によつて第１の欠点がなくなつた。 次に第２の欠点をなくした点について述べる。
いまここに、外付コンデンサC₁，C₂を省略でき
る可能性を示した先行技術（特開昭55−95417号
公報参照）がある。すなわち、この先行技術は、
第３図に示すような三端子型発振子CR₂を用い
る。この発振子CR₂は、たとえば、第４図〜第６
図に示すような、正方形板の拡がり振動モードを
用いるもので、圧電セラミツク板１の主面に同心
角状に、正方形のドツト電極２と正方環状のリン
グ電極３を設け、一主面に対向する面に全面電極
４を設け、分極方向が、ドツト電極２と全面電極
４のドツト電極２と対向する部分間と、リング電
極３と全面電極４のリング電極３と対向する部分
間とで互いに逆方向になるようにしたものであ
る。このように分極方向を逆にすると、後述する
第８図、第９図における理想変成器の変成比ｎ
が、ｎ＞０となつて、発振子CR₂の入力側電圧と
出力側電圧の位相差が180゜になつて発振すること
ができるのである。 この発明は、以上のような先行技術をもとにな
されたもので、従来の二端子型の圧電発振子が安
定発振しているときのコンデンサC₁，C₂がわか
れば、二端子型の圧電共振子とコンデンサC₁，
C₂の組合せに代えて、三端子型の圧電共振子を
もつてきても安定発振するために三端子型圧電発
振子に要求される条件を求めたものである。 すなわち、この発明の要旨は、二端子型の圧電
発振子を用いたコルピツツ型発振回路に用いる外
付けコンデンサの静電容量がC₁，C₂である場合、
圧電板の一主面に入・出力電極を設け、他主面に
共通電極を設け、入力電極−共通電極間の分極方
向と、出力電極−共通電極間の分極方向が互いに
逆方向になつていて、単一モードを用いる、三端
子型圧電発振子の等価回路を考えたとき、入力電
極−共通電極間静電容量をC₀₁、出力電極−共通
電極間静電容量をC₀₂、理想変成器の変成比をｎ
としたとき、C₂／C₁＝C₀₂／ｎ・C₀₁になるように
したことである。 以下にこの発明の実施例について説明する。 第７図は、第１図の点線で囲んだ部分の等価回
路である。 定常発振の状態ではＩ→Ｏとなる。 V₁＝i₀・１／jωc₁ V₂＝−i₀・１／jωC₂ ∴V₂／V₁＝−C₁／C₂ 一方、第８図は、第３図の点線で囲んだ部分の
等価回路で、同図において、入・出力電極間容量
C_sは、C_s≪C₀₁、C₀₂であるので（容量C_sは数pF、
容量C₀₁、C₀₂は数100pF）無視して良く、容量C_s
を無視した第９図において、 V₁′＝−i₀′・１／jωC₀₁ V₂′＝ｎ・i₀′・１／jωC₀₂ ∴V₂′／V₁′＝−ｎ・Co₁／Co₂ 以上から、二端子型圧電共振子と二つの外付コ
ンデンサに代えて三端子型圧電共振子を用いると
きは、 C₂／C₁＝１／ｎ・Co₂／Co₁ を満足するよう、ｎ、Co₁、Co₂の値を定めれば
よい。ｎは、各電極の位置関係や面積比、圧電基
板の性質や分極度合等で設定できる。Co₁、Co₂
は各電極の面積や分極度合等で設定できる。たと
えば二端子型発振子を用いたときの外付コンデン
サC₁，C₂が100（pF）、100（pF）のとき、C_p1が100
（pF）、Co₂が300（pF）、ｎ＝３の三端子型発振子
を用いても安定に発振する。なおこの場合、ドツ
ト電極−全面電極間での共振周波数と反共振周波
数との差が、リング電極−全面電極間での共振周
波数と反共振周波数との差と等しくなるように分
極処理をコントロールする。１例を示すと、中心
周波数が450KHzの場合4.9×4.9×0.4（mm）の圧電
基板を用い、ドツト電極は2.1×2.1（mm）、リング
電極の内側辺は一辺の長さが2.8（mm）になるよう
にした。 上記の例はCo₂／ｎ・Co₁＝１の例である。第１０ 図はインバータIVの入力側電圧V₁′をオシロスコ
ープで観測したときの図、第１１図は、インバー
タIVの出力側電圧V₂′を同様に観測したときの図
である。いま、インバータIVの電源電圧をV_DDと
したとき、安定な発振状態を保つには、スレツシ
ユホールドの条件から、V′_1H≒V_DD≒V′_2H、また、
ラツチアツプの条件から、V′_1L≒０≒V′_2Lにする
とよいことがわかつている。発振回路用のICは
種々市販されている。Co₂／ｎ・Co₁≒１にしておけ ば安定に発振するICが一般的であるが、ICによ
つては、Co₂／ｎ・Co₁を前述の値以外にする必要が ある。第１２図で点線で示した曲線は、一般的な
ICを用意し、従来技術、すなわち二端子型圧電
セラミツク共振子CR₁と二つのコンデンサC₁，
C₂、を用いたとき、C₂／C₁の値を変えたときのV′_1H、 V′_2H、V′_1L、V′_2Lの変化を示し、図中実線は本発
明の一実施例三端子型圧電セラミツク発振子CR₂
のCo₂／ｎ・Co₁を変えたときの、V′_1H、V′_2H、V′_1L
、 V′_2Lの変化を示すものである。この結果からもあ
きらかなように本発明によると従来の二端子型発
振子と外付コンデンサとの組合せに代えて三端子
型発振子を用いても従来と同様に安定に発振する
という結果が得られることがわかる。また安定発
振するときの、Co₂／ｎ・Co₁の値が一番小さいICを 用いた例を第１３図に示し、同様に、安定発振す
るときのCo₂／ｎ・Co₁の値が一番大きいICを用いた 例を第１４図に示す。いずれの場合も、二本の一
点鎖線ではさまれた範囲内にCo₂／ｎ・Co₁があれば 安定に発振する。なお、第１３図、第１４図の例
とも、従来技術の場合のV′_1H、V′_2H、V′_1L、V′_2L
の変化については図示を省略した。理由は第１２
図の場合と同様な傾向を示すからである。これら
の例からいつて0.5≦Co₂／ｎ・Co₁≦1.5の範囲であれ ば、従来の外付コンデンサ二つと二端子型発振子
の組合せに代えて三端子型発振子を用いても安定
な発振が可能になる。 以上の実施例からもあきらかなように、この発
明によれば、二端子型発振子に組合せる外付コン
デンサC₁，C₂がわかつているとき、C₂／C₁＝Ｃ
＋₂／ｎ・Co₁の関係になるよう、三端子型発振子
の等価回路における入力容量Co₁、出力容量Co₂、
理想変成器の変成比ｎを設定したので、二端子型
発振子を用いたときとかわらず安定な発振が可能
で、したがつて、外付コンデンサが不要になると
ともに発振周波数の温度特性が良好であるという
利点を容易に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、発振回路図、第２図は第１図の等価
回路図、第３図は発振回路図、第４図〜第６図は
三端子型発振子の電極付エレメントを示し、第４
図は正面図、第５図は裏面図、第６図は断面図、
第７図は第１図の点線内の等価回路図、第８図は
第３図の点線内の等価回路図、第９図はさらに第
８図を簡略化した等価回路図、第１０図は入力側
発振信号電圧を示す波形図、第１１図は出力側発
振信号電圧を示す波形図、第１２図〜第１４図は
C₂／C₁またはCo₂／ｎ・Co₁を変えたときの入力側発振信 号電圧、出力側発振信号電圧の変化を示す特性図
である。 CR₂は三端子型圧電発振子、C₁，C₂は外付コン
デンサ、１は圧電セラミツク板、２はドツト電
極、３はリング電極、４は全面電極、Co₁は入力
容量、Co₂は出力容量、ｎは理想変成器の変成比
である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 二端子型の圧電発振子を用いたコルピツツ型
   発振回路に用いる外付けコンデンサの静電容量
   が、C₁，C₂である場合、圧電板の一主面に入・
   出力電極を設け、他主面に共通電極を設け、入力
   電極−共通電極間の分極方向と、出力電極−共通
   電極間の分極方向が互いに逆方向になつていて、
   単一モードを用いる、三端子型圧電発振子の等価
   回路を考えたとき、入力電極−共通電極間静電容
   量をC₀₁、出力電極−共通電極間静電容量をC₀₂、
   理想変成器の変成比をｎとしたとき、C₂／C₁＝
   C₀₂／ｎ・C₀₁になるようにした三端子型発振子。 ２ 0.5≦C₀₂／ｎ・C₀₁≦1.5とした特許請求の範
   囲第１項記載の三端子型発振子。