特許第6393720号(P6393720)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」

▶ ザ・スウォッチ・グループ・リサーチ・アンド・ディベロップメント・リミテッドの特許一覧
<>
  • 特許6393720-発振器のための駆動回路 図000002
  • 特許6393720-発振器のための駆動回路 図000003
  • 特許6393720-発振器のための駆動回路 図000004
  • 特許6393720-発振器のための駆動回路 図000005
< >
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6393720
(24)【登録日】2018年8月31日
(45)【発行日】2018年9月19日
(54)【発明の名称】発振器のための駆動回路
(51)【国際特許分類】
   H03B 5/32 20060101AFI20180910BHJP
   H03B 5/36 20060101ALI20180910BHJP
【FI】
   H03B5/32 J
   H03B5/36
【請求項の数】8
【全頁数】9
(21)【出願番号】特願2016-188081(P2016-188081)
(22)【出願日】2016年9月27日
(65)【公開番号】特開2017-73768(P2017-73768A)
(43)【公開日】2017年4月13日
【審査請求日】2016年9月27日
(31)【優先権主張番号】15189081.1
(32)【優先日】2015年10月9日
(33)【優先権主張国】EP
(73)【特許権者】
【識別番号】506425538
【氏名又は名称】ザ・スウォッチ・グループ・リサーチ・アンド・ディベロップメント・リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100098394
【弁理士】
【氏名又は名称】山川 茂樹
(74)【代理人】
【識別番号】100064621
【弁理士】
【氏名又は名称】山川 政樹
(72)【発明者】
【氏名】マッシミリアーノ・ブラッコ
【審査官】 石田 昌敏
(56)【参考文献】
【文献】 米国特許出願公開第2004/0263272(US,A1)
【文献】 米国特許第07479838(US,B1)
【文献】 特開平08−222948(JP,A)
【文献】 特表2012−531110(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H03B 5/00− 5/42
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
発振器(3)を駆動する駆動回路(11)であって、
第1の端子と第2の端子を有する駆動インダクター(LD)と、
前記第1の端子に接続している電気エネルギー源(13)と、及び
前記第2の端子と前記発振器(3)の間で接続しているスイッチング回路とを有し、
前記スイッチング回路は、前記発振器(3)に電気エネルギーを実質的に伝えないオフ状態と前記発振器(3)に電気エネルギーを伝えるオン状態にて、少なくとも作動するように構成しており、
前記スイッチング回路は、第1のスイッチ(17)と第2のスイッチ(19)を有し、
前記駆動インダクター(LD)は、前記スイッチング回路がオフ状態であるときには、磁場にエネルギーを格納するように構成しており、
前記スイッチング回路は、前記スイッチング回路がオン状態であるときには、
磁場に格納されたエネルギーの少なくとも一部を用いて、前記電気エネルギー源(13)から前記発振器(3)への電流のサージを伝えるように構成しており、
前記第1のスイッチは、第1のNMOSトランジスター(17)であり、前記第2のスイッチは、第2のPMOSトランジスター(19)であり、
前記第1のNMOSトランジスター及び第2のPMOSトランジスター(17、19)のゲート端子は、共通ノード(21)に接続されており、前記第1のNMOSトランジスター(17)のドレーン端子及び前記第2のPMOSトランジスター(19)のソース端子は、前記駆動インダクター(LD)の第2の端子に接続されており、
前記第1のNMOSトランジスター(17)のソース端子は、接地に接続されており、
前記第2のPMOSトランジスター(19)のドレーン端子は、前記発振器(3)の発振器インダクター(Lo)の第3の端子(23)に接続されており、
前記第1のNMOSトランジスター及び第2のPMOSトランジスター(17、19)の前記ゲート端子は、前記発振器(3)の前記発振器インダクター(Lo)の第4の端子(21)である前記共通ノード(21)に接続されており、
前記スイッチング回路は、前記接地と前記共通ノード(21)の間の電位が第1のしきい値よりも大きく、前記第2の端子と前記共通ノード(21)の間の電位差が第2のしきい値以下のときにオフ状態であり、
前記接地と前記共通ノード(21)の間の前記電位差が前記第1のしきい値以下であり、前記第2の端子と前記共通ノード(21)の間の電位差が前記第2のしきい値よりも大きいときにはオン状態にあるように構成している
ことを特徴とする駆動回路(11)。
【請求項2】
前記第2のしきい値は、前記第1のしきい値よりも大きい
ことを特徴とする請求項1に記載の駆動回路(11)。
【請求項3】
前記第1及び第2のしきい値は、正の電圧である
ことを特徴とする請求項1に記載の駆動回路(11)。
【請求項4】
前記第1及び第2のしきい値は、0V〜1Vである
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の駆動回路(11)。
【請求項5】
前記電気エネルギー源(13)は、定電圧源を有する
ことを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の駆動回路(11)。
【請求項6】
請求項1〜のいずれかに記載の駆動回路(11)と、及び前記発振器(3)とを有する
ことを特徴とする電子回路(9)。
【請求項7】
前記スイッチング回路の動作は、前記第4の端子(21)における電位によって制御されるように構成している
ことを特徴とする請求項に記載の電子回路(9)。
【請求項8】
請求項1に記載の駆動回路(11)によって発振器(3)を駆動する方法であって、
電気エネルギー源(13)からインダクター(LD)を介して発振器(3)へと電気エネルギーを供給して、
前記インダクター(LD)は、前記発振器(3)が非受容状態であるような前記発振器のサイクルの第1の段階の間に、前記電気エネルギー源(13)によってエネルギー活性化され、
前記発振器がエネルギー受容可能状態にある前記発振器のサイクルの第2の段階の間に前記電気エネルギー源(13)から前記発振器(3)へと電流のサージを伝えるように、前記第1の段階の間に前記インダクター(LD)に格納されたエネルギーの少なくとも一部が用いられる
ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、腕時計において用いられる水晶発振器のような発振器回路を駆動する駆動回路の分野に関する。本発明は、さらに、駆動回路と発振器を有する電子回路及び発振器を駆動する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
図1の回線図は、水晶発振器を象徴している回路3と、及び水晶発振器3を駆動する従来技術の駆動回路5とを有する電子回路1を示している。図示しているように、水晶発振器は、第1のキャパシターC1、第2のキャパシターC2、発振器インダクターLO、抵抗RO、第3のキャパシターC3、及び第2のキャパシターC2、コイルLO及び抵抗ROと並列に接続している第4のキャパシターC4によってモデル化されている。第1及び第3のキャパシターの電極の一方は、接地に接続されている。図1の回路において、駆動回路5は、インバーター回路7によってモデル化される。この種の駆動回路は、例えば、水晶発振器を駆動するために現在広く用いられている。インバーター回路7は、例えば、n型金属酸化膜半導体(MOS)トランジスター及びp型MOSトランジスターを少なくとも有することができる。水晶発振器と駆動回路は、発振をもたらす正帰還回路を形成するように接続される。
【0003】
図2の信号図は、図1の電子回路1の信号のふるまいを示している。なお、結果をうまく示すために、抵抗ROを省略した。第1のグラフ(最も上)は、時間の関数として第2のキャパシターC2の電圧を示している。すなわち、このグラフは、水晶発振器の発振を示している。第2のグラフは、時間にわたっての駆動回路の出力電流を示しており、第3のグラフは、駆動回路の出力電圧を示している。図1の駆動回路5は、発振の完全な半サイクルの間、水晶発振器3を駆動する。図2の第2のグラフにおいて、駆動回路からの電流が、発振の1周期に満たない期間の間に両方向に流れることがわかる。このことは、水晶発振器3の発振器インダクターLOにおけるエネルギーが増加せず、水晶発振器をまたがる電圧が増加しないことを意味する。理想的な状態であると仮定すると、すなわち、抵抗がなくすべての部品が理想的であると仮定すると、駆動回路5によって与えられる電流は、駆動回路5にて消散しているはずである。実際のアプリケーションにおいては、このことは、駆動回路5のトランジスターの寄生抵抗においてエネルギーが消散することを意味する。
【0004】
したがって、図1に示す電子回路が、電力消費の点から最適ではないことが明らかである。より詳細には、駆動回路5からの電流の流れは、水晶発振器3の電流の流れと同位相ではなく、このことによって、駆動回路5のトランジスターにおいてパワーが消散する。インバーター7の各スイッチング遷移時にインバーター7を流れることがある短いが大きな電流に起因して、さらなる問題が発生することがある。このような遷移電流のスパイクは、インバーターが上記のようなNMOS−PMOSトランジスター対を有する場合に発生することがある。この場合、このトランジスター対の両方のトランジスターが瞬間的にオンであるときに、この対は実際に短絡する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明は、発振器駆動回路に関連する上記の課題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の第1の態様によると、請求項1に記載の発振器を駆動する駆動回路が提供される。
【0007】
提案される新規な手法は、駆動回路の動作において、発振器を駆動するための最先端技術の駆動回路よりもエネルギー効率が良いという利点を有する。このことは、下で詳細に説明するように、短絡電流の回避しつつ、発振器の発振と同位相で発振器を駆動することによって達成される。
【0008】
本発明の第2の態様によると、駆動回路と、及び駆動回路によって駆動される発振器とを有する電子回路が提供される。
【0009】
本発明の第3の態様によると、発振器を駆動する方法が提供される。
【0010】
添付の従属請求項において、本発明の他の態様が記載されている。
【0011】
添付の図面を参照する例示的な実施形態についての下記の説明によって、本発明の他の特徴や利点が明確になるであろう。なお、この実施形態に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【0012】
図1】水晶発振器と、及びこの水晶発振器を駆動する駆動回路とを有する最先端技術の電子回路を示している回線図である。
図2図1の電子回路における信号のふるまいを示す信号図である。
図3】水晶発振器と、及び水晶発振器を駆動するための本発明の実施形態に係る駆動回路とを有する電子回路を示す回線図である。
図4図3の電子回路の信号のふるまいを示す信号図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。腕時計のクオーツとしても知られている水晶発振器を駆動する駆動回路に関連して、本発明について説明する。しかし、開示している駆動回路は、水晶発振器に関連して用いられることに限定されるものではない。異なる図面にて示している同一又は対応する機能的又は構造的な要素には、同じ参照符号が割り当てられている。
【0014】
図3は、水晶発振器3を有する電子回路9、より正確には、図1と同様に、水晶発振器3を象徴する回路、を示している。しかし、図3の水晶発振器において、抵抗ROが省略されている。図示しているように、この実施形態に係る駆動回路11は、図1の駆動回路5とは異なる。駆動回路11は、この例においては定電圧源13である電気エネルギー源13を有し、これは、接地と、第1のインダクターとも呼ばれる駆動インダクターLDの第1の端子との間に接続している。駆動インダクターの第2の端子は、スイッチング回路に接続しており、これは、図3に示すように、水晶発振器3にも接続している。この例におけるスイッチング回路は、第1のスイッチ17及び第2のスイッチ19を有する。この図示した例においては、第1のスイッチは、NMOSトランジスター17であり、第2のスイッチは、PMOSトランジスター19である。
【0015】
図3に示すように、NMOSトランジスター17のドレーン端子は、駆動インダクターLDの第2の端子に接続され、NMOSトランジスター17のソース端子は、接地に接続されている。NMOSトランジスターのゲートは、水晶発振器3に接続している。具体的には、第2のインダクターとも呼ばれる発振器インダクターLOと第2のキャパシターC2との間に位置する第1のノード21に接続している。PMOSトランジスターのソースは、駆動インダクターLDの第2の端子に接続しており、一方、PMOSトランジスター19のドレーンは、水晶発振器3に接続している。具体的には、発振器インダクターLOと第3のキャパシターC3の間に位置する第2のノード23に接続している。PMOSトランジスターのゲートは、第1のノード21に接続している。
【0016】
本明細書において、NMOSトランジスター17は、そのゲート−ソース電圧が正であるときに、具体的には、そのゲート電圧が接地から0.5Vのような第1のしきい値よりも上であるときにオンとなる(すなわち、ドレーンからソースへのチャネルが導電性となる)。本明細書において、他方では、PMOSトランジスター19は、そのソース−ゲート電圧が約0.6Vである第2のしきい値に近い又はこれより大きいときに、オンとなる(すなわち、ソースからドレーンへのチャネルが導電性となる)。この特定の場合において、第2のしきい値は、第1のしきい値よりも大きい。このことは、短時間にてNMOSトランジスターとPMOSトランジスターが両方とも導電性であることがあることを意味している。
【0017】
次に、電子回路9の動作を詳細に説明する。初期状態にて、水晶発振器3に電気エネルギーが供給されていないときに、水晶発振器3のキャパシターが放電されており、水晶発振器には電流が流れていない。この段階では、NMOS及びPMOSトランジスター17、19のゲート電圧は、0Vであり、PMOSトランジスターのみが導電性である。すなわち、スイッチング回路は、オン状態である。電圧源13がオンになると、駆動インダクターLDを通って、そしてPMOSトランジスター19の導電性のソース−ドレインチャネルを通って水晶発振器3へと電流が流れ始める。この時点で、水晶発振器3に電流が流れ始めて、キャパシターC1、C2、C3、C4が帯電し始める。同時に、NMOS及びPMOSトランジスター17、19のゲート電圧が増加し始める。このことはまた、NMOSトランジスター17がオンになるにしたがってPMOSトランジスター19がオフになり、その結果、電流が水晶発振器3に流れなくなり、NMOSトランジスター17の導電性のドレーン−ソースチャネルを通って電流が接地へと流れるようになることを意味している。この状態では、スイッチング回路は、オフ状態である。NMOSトランジスター17がオンであるときには、駆動インダクターLDに流れている電流が、磁場に、例えば、コイル内に、一時的にエネルギーを格納する。したがって、駆動インダクターLDは、チャージ状態ないしエネルギー活性化状態にある。
【0018】
このようにして、水晶発振器は、最初に与えられたエネルギーのおかげで、発振し始める。このことは、NMOSトランジスター17が再びオフになり、一方でPMOSトランジスター19がオンになり、PMOSトランジスター19を流れる付加的な電流として磁場エネルギーが水晶発振器3における第2のノード23へと伝えられて、水晶発振器のキャパシターが帯電されることを意味している。すなわち、この時点において、磁場に格納されるエネルギーが、電圧源13から水晶発振器3へと電流を「押す」。したがって、ここで、駆動インダクターLDは、放電状態ないしエネルギー不活性化状態にある。そして、NMOSトランジスター17がオンになるにしたがって、PMOSトランジスター19が再びオフになる。そして、水晶発振器3が発振し続けながら、上で説明した動作が所与のシーケンスにしたがって繰り返される。
【0019】
図4の信号図は、図3の電子回路の信号のふるまいを示している。図4の2つの垂直線は、信号の完全な1サイクルの期間を示している。第1のグラフ(最も上)は、駆動インダクターLDを通る電流の変化を示している。上から2番目の第2のグラフは、水晶発振器の電圧、すなわち、第1のノード21における電位の変化を示している。このノードで測定される電位は、実質的に、第1及び第2のトランジスター17、19のゲートにおける電位にも対応している。上から3番目の第3のグラフは、水晶発振器3における電流の流れ、すなわち、発振器インダクターLOを流れる電流の大きさを示している。最後に、最も下のグラフは、水晶発振器の電圧、すなわち、第3のキャパシターC3をまたがる電圧を示している。なお、図4における数値は、単なる例であって、水晶発振器3における抵抗を考慮していないことに留意すべきである。定電圧源13によって維持される電圧は、この例において約3Vである。
【0020】
上記の説明を鑑みると、水晶発振器電圧が正である半サイクルの間にNMOSトランジスター17がオンでありPMOSトランジスター19がオフであり、一方、水晶発振器電圧が負である半サイクルの間にNMOSトランジスター17がオフでありPMOSトランジスター19がオンであることを明確にすることによって(図4における上から2番目の第2のグラフ)、NMOS及びPMOSトランジスターの動作を近似することができる。したがって、水晶発振器電圧が正である半サイクルの間に、磁場エネルギーが増加し、また、水晶発振器電圧が負になると(図4における第2のグラフ)、駆動インダクターLDの磁場によって荷電が第3のキャパシターC3図4における最も下のグラフ)に押され、これによって、発振器インダクターLOの電圧を再び増加させることに貢献する(図4における第2のグラフ)。
【0021】
上で説明したように、本発明によると、駆動インダクターLDにエネルギーが一時的に格納される。このようにして、従来技術の駆動回路にて発生する短絡電流を回避することができる。なぜなら、エネルギーが接地に短絡されるのではなく駆動インダクターLDに格納されるからである。さらに、駆動インダクターLDに格納されているエネルギーに支援されて、電圧源13からの電気エネルギーが、水晶発振器3の発振と同期しつつ(すなわち、同位相で)、水晶発振器3に注入される。このことは、所与の時点、具体的には、第1のノード21の電位が第2のしきい値よりも小さいときにおいてのみ電気エネルギーが水晶発振器3に与えられることを意味している。このように、本発明によると、駆動回路11からの電流が、水晶発振器がこの電流を受ける準備ができている場合に限り、水晶発振器3に与えられる。すなわち、本発明によれば、駆動回路11は、水晶発振器3と同位相であり、水晶発振器3は、この水晶発振器3の電流の流れに抗するようには駆動されない。なお、各サイクルにて発振器3に与えられるエネルギー量は、発振周波数及び定電圧源13の電圧とともに供給されるインダクタンスによって決まることに留意すべきである。したがって、供給されるインダクタンスの値を、周波数又は特定の発振器に合わせる必要があり得る。
【0022】
本発明は、さらに、電気エネルギー源13から駆動インダクターLDを介して発振器3へと電気エネルギーを供給することによって水晶発振器3を駆動する方法に関する。これによって、駆動インダクターLDは、発振器3が受容不能状態であるような発振器サイクルの第1の段階の間に、電気エネルギー源13によってエネルギー活性化され、また、第1の段階の間に駆動インダクターLDに格納されるエネルギーの少なくとも一部が、発振器3が受容可能状態であるような発振器サイクルの第2の段階の間に電気エネルギー源13から発振器3へと電気エネルギーを転送するために使用される。
【0023】
図面及び上の説明において本発明を詳細に示し説明したが、このような図示及び説明は、説明に役立たせるため又は例示的であって、これらに限定されるものではないと考えるべきであり、本発明は、開示した実施形態には限定されない。当業者であれば、図面、開示内容、請求の範囲を検討することに基づいて、請求の範囲に含まれる発明を実施する際に、他の実施形態及び変種を理解し、実現することができる。例えば、トランジスターの端子の数が3よりも多くてもよい。いくつかの変種における端子の数は4である。また、駆動回路は、さらに、発振器のキャパシターを帯電させるキャパシタープリチャージ回路、電子回路11における電流を制限するための電流制限器11、及び/又は駆動回路11のスイッチ17、19のスイッチングを制御する制御回路、のような回路要素を有することができる。
【0024】
請求の範囲において、「有する」という文言は他の要素又はステップがあることを除外するものではなく、単数形であっても複数あることを除外するものではない。互いに異なる従属請求項において異なる特徴が記載されていることのみによっては、これらの特徴の組み合わせを有利に用いることができないことを意味しているわけではない。請求の範囲における引用符号のいずれも本発明の範囲を制限するものとして解釈されるべきではない。
【符号の説明】
【0025】
3 発振器
9 電子回路
11 駆動回路
13 電気エネルギー源
17 第1のトランジスター
19 第2のトランジスター
21 共通ノード
D、LO インダクター
図1
図2
図3
図4