特開 2022-154191 共振回路、発振回路および電子機器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022154191

(43)【公開日】2022-10-13

(54)【発明の名称】共振回路、発振回路および電子機器

(51)【国際特許分類】

   H03B 5/32 20060101AFI20221005BHJP

   G01L 9/00 20060101ALI20221005BHJP

   G01L 9/08 20060101ALI20221005BHJP

【ＦＩ】

H03B5/32 A

G01L9/00 C

G01L9/08

【審査請求】有

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021057099

(22)【出願日】2021-03-30

(71)【出願人】

【識別番号】515217498

【氏名又は名称】株式会社Ｐｉｅｚｏ Ｓｔｕｄｉｏ

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(72)【発明者】

【氏名】石井 武仁

(72)【発明者】

【氏名】木村 悟利

【テーマコード（参考）】

2F055

5J079

【Ｆターム（参考）】

2F055AA40

2F055BB20

2F055CC55

2F055DD09

2F055EE23

2F055FF02

2F055GG32

2F055GG47

5J079AA04

5J079BA02

5J079DA16

5J079FA16

(57)【要約】

【課題】振動子のカット角を修正することなく２次温度特性の頂点温度を制御できる共振回路を提供する。
【解決手段】本発明の共振回路（１）は、２次温度特性を有する振動子（２）と、振動子（２）に接続された負荷容量（３）とを備え、負荷容量（３）の温度特性を用いて、共振回路（１）の温度特性の頂点温度を所望の頂点温度に調整する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

２次曲線の温度特性を有する振動子と、前記振動子に接続された負荷容量とを備えた共振回路において、
前記負荷容量の温度特性を用いて、前記共振回路の温度特性の頂点温度を所望の頂点温度に調整するように構成される
共振回路。

【請求項2】

請求項１に記載の共振回路において、
前記負荷容量の温度特性は、前記振動子の温度特性、振動子等価回路定数、および前記負荷容量の容量値に基づいて決定されること
を特徴とする共振回路。

【請求項3】

請求項２に記載の回路において、
前記負荷容量の温度特性は、前記振動子の温度特性に加算する１次温度係数項と、前記容量値の変化に対する共振周波数の変化の感度に基づいて決定されること
を特徴とする共振回路。

【請求項4】

請求項２または３に記載の共振回路において、
前記振動子等価回路定数の等価直列容量は、１０ｆＦ～１００ｆＦであること
を特徴とする共振回路。

【請求項5】

請求項４に記載の共振回路において、
前記振動子は、ランガサイト型圧電単結晶を用いた振動子であること
を特徴とする共振回路。

【請求項6】

請求項１乃至５のいずれか１項に記載の共振回路を備えたこと
を特徴とする発振回路。

【請求項7】

請求項６に記載の発振回路を備えたこと
を特徴とする電子機器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、振動子を用いた共振回路に関するものである。

【背景技術】

【0002】

圧力センサの種類の一つに、圧電振動子、特に水晶振動子を適用したセンサがある。圧電振動子を用いたセンサは、その精度の高さから、近年では、地中資源探査や化学反応を促進させる装置などの高温環境においても利用されている。高温環境の温度条件はその用途によって様々であるが、圧力以外の環境条件、例えば、周囲温度が変化しても周波数が変化しないように、Ｓ／Ｎの改善が日々研鑽されている。

【0003】

例えば、２次温度特性を有する振動子を利用したセンサの場合、温度に対する周波数変化がなくなる温度、すなわち頂点温度を所望の温度に設計した振動子が適用されてきた。具体的には、２次温度特性の頂点温度に応じて振動子を結晶から切り出す際のカット角を調整することで対応してきた（例えば、特許文献１、２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００６－２５０７１１号公報

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】Andrey Medvedev, Aleksey Zabelin, Svetlana, Bazalevskaya, Oleg Buzanov, Sergey Sakharov, Vladimir Alenkov, Alexey Dmitrienko and Alexander Blinov, “Investigation of the Electrode Coating Influence on the Frequency Temperature Characteristics of the Resonators Operating at the Rotated Y-Cut Ca3TaGa3Si2O14 Single Crystals”, Joint UFFC, EFTF and PFM Symposium, 2013

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、カット角を調整して頂点温度を調整する場合には、量産対応向けの切断条件の最適化に時間を要するという問題があった。また、所望の頂点温度毎に異なるカット角が必要になるため振動子の種類が増えることにより振動子の管理が煩雑になる等の問題があった。

【0007】

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、振動子のカット角を調整することなく２次温度特性の頂点温度を制御できる共振回路を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の共振回路は、２次曲線の温度特性を有する振動子と、前記振動子に接続された負荷容量とを備えた共振回路において、前記負荷容量の温度特性を用いて、前記共振回路の温度特性の頂点温度を所望の頂点温度に調整するように構成される。

【0009】

また、本発明の共振回路の一構成例において、前記負荷容量の温度特性は、前記振動子の温度特性、振動子等価回路定数、および前記負荷容量の容量値に基づいて決定される。

【0010】

また、本発明の共振回路の一構成例において、前記負荷容量の温度特性は、前記振動子の温度特性に加算する１次温度係数項と、前記容量値の変化に対する共振周波数の変化の感度に基づいて決定される。

【0011】

また、本発明の共振回路の一構成例において、前記振動子等価回路定数の等価直列容量は、１０ｆＦ～１００ｆＦである。

【0012】

また、本発明の共振回路の一構成例において、前記振動子は、ランガサイト型圧電単結晶を用いた振動子である。

【0013】

また、本発明の発振回路は、上記の共振回路を備える。

【0014】

また、本発明の電子機器は、上記の発振回路を備える。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、振動子のカット角を調整することなく２次温度特性の頂点温度を制御できる共振回路を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】図１は、本発明の実施の形態に係る共振回路の構成例を示す図である。

【図2】図２は、本発明の実施の形態に係る温度特性における頂点温度の調整を説明するための図である。

【図3】図３は、本発明の実施の形態に係る共振回路の具体例を示す図である。

【図4】図４は、本発明の実施の形態に係る共振回路の負荷時周波数特性を示す図である。

【図5】図５は、本発明の実施の形態に係る共振回路の負荷時周波数感度特性を示す図である。

【図6】図６は、本発明の実施の形態に係る温度特性における頂点温度の調整を説明するための図である。

【図7】図７は、本発明の実施の形態に係る負荷容量温度特性の具体例を説明するための図である。

【図8】図８は、本発明の実施の形態に係る共振回路を適用した圧力センサの構成例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

＜共振回路の構成＞
図１は、本発明の実施の形態に係る共振回路の構成例を示す図である。本実施の形態に係る共振回路１は、振動子２と振動子２に接続された負荷容量３とから構成されている。

【0018】

振動子２の等価回路は、等価直列抵抗Ｒ１、等価直列容量Ｃ１、等価直列インダクタンスＬ１、等価並列容量Ｃ０から構成されており、所定の頂点温度を有する２次曲線の温度特性を有している。負荷容量３は、容量値が温度に応じて変化する温度特性を有している。

【0019】

＜負荷容量温度特性による頂点温度の制御＞
図２は、本発明の実施の形態に係る温度特性における頂点温度の調整を説明するための図である。本発明の実施の形態では、負荷容量３の負荷容量温度特性を用いて、共振回路１の温度特性の頂点温度を所望の頂点温度に調整するように構成される。より具体的には、負荷容量３の温度特性は、振動子２の温度特性、振動子等価回路定数、および負荷容量の容量値に基づいて決定される。

【0020】

＜振動子の周波数温度特性＞
振動子２の周波数温度特性を表す２次曲線を式（１）に示す。
周波数温度特性＝ａＴ^２+ｂＴ＋ｃ＝ａ（Ｔ－Ｔ０）^２＋ｃ’ ・・・（１）
ａ：２次温度係数［ｐｐｍ／℃^２］
ｂ：１次温度係数［ｐｐｍ／℃］
ｃ：オフセット項１［ｐｐｍ］
ｃ’：オフセット項２［ｐｐｍ］
Ｔ：周囲温度［ｐｐｍ／℃］
Ｔ０：頂点温度＝－ｂ／（２ａ)［℃] ・・・（２）

【0021】

＜負荷容量と共振周波数の関係＞
振動子２に負荷容量３を接続した場合の負荷容量ＣＬと共振回路１の共振周波数の関係式（負荷時周波数）を式（３）に、負荷容量の変化に対する共振周波数の変化の関係式（負荷時周波数感度）を式（４）に示す。
負荷時周波数ＦＬ＝Ｃ１／２／(Ｃ０＋ＣＬ) ・・・（３）
負荷時周波数感度（ｄＦＬ／ｄＣＬ）＝－Ｃ１／２／(Ｃ０＋ＣＬ)^２・・・（４）
Ｃ１：等価直列容量
Ｃ０：等価並列容量
ＣＬ：負荷容量

【0022】

＜共振回路の周波数温度特性＞
ここで、式（１）に示す頂点温度Ｔ０を有する振動子の温度特性を、負荷容量温度特性（ｄＣＬ／ｄＴ）［ｐＦ／℃］を用いて頂点温度Ｔ０’の温度特性に調整することを考える。簡略化のために、式（１）における２次温度係数ａは調整前後で変化しないと仮定する。調整後の周波数温度特性、調整後の頂点温度は、式（５）、式（６）で表すことができる。

【0023】

周波数温度特性
＝ａＴ^２+ｂ’Ｔ＋ｃ’’＝ａ（Ｔ－Ｔ０’）^２＋ｃ’’’・・・（５）
ａ：２次温度係数［ｐｐｍ／℃^２］
ｂ’：調整後１次温度係数［ｐｐｍ／℃］
ｃ’’：オフセット項２［ｐｐｍ］
ｃ’’’：オフセット項３［ｐｐｍ］
Ｔ：周囲温度［ｐｐｍ／℃]
Ｔ０’：調整後頂点温度＝－ｂ’／（２ａ)［℃] ・・・（６）

【0024】

所望の頂点温度Ｔ０’を実現するために加算すべき１次温度係数は、式（２）、式（６）より、以下の式（７）で表すことができる。
加算すべき１次温度係数＝ｂ’－ｂ＝－２ａ（Ｔ０’－Ｔ０）・・・（７）

【0025】

一方、１次温度係数と、負荷時周波数感度、負荷容量温度特性の関係は、以下の式（８）で表すことができる。
１次温度係数［ｐｐｍ／℃]＝負荷時周波数感度［ｐｐｍ／ｐＦ］×負荷容量温度特性［ｐＦ／℃］ ・・・（８）

【0026】

式（４）、式（７）、式（８）によれば、頂点温度Ｔ０からＴ０’への調整を、負荷容量温度特性によって実現する場合、その場合の負荷容量温度特性（ｄＣＬ／ｄＴ）［ｐＦ／℃］は、以下の式（９）で表すことができる。
負荷容量温度特性（ｄＣＬ／ｄＴ）［ｐＦ／℃］
＝１次温度係数［ｐｐｍ／℃］／負荷時周波数感度［ｐｐｍ／ｐＦ］
＝［４ａ（Ｔ０’－Ｔ０)・(Ｃ０＋ＣＬ)^２］／Ｃ１ ・・・（９）

【0027】

このように、頂点温度を所望の値に調整するための負荷容量３の温度特性は、振動子２の温度特性に加算する１次温度係数項と、負荷容量３の容量値の変化に対する共振周波数の変化の感度に基づいて決定することができる。

【0028】

式（９）は、頂点温度の調整前後において２次温度係数ａが変化しないという条件の元での式であるが、頂点温度の調整後に２次温度係数がａからａ’に変化する場合には、負荷容量の負荷容量温度特性を式（１０）で表すように調整すればよい。２次温度係数ａに負荷容量依存性がある場合であっても、本実施の形態の考え方を適用できることは明らかである。
負荷容量温度特性（ｄＣＬ／ｄＴ）［ｐＦ／℃］
＝［４（ａ’Ｔ０’－ａＴ０)・(Ｃ０＋ＣＬ)^２］／Ｃ１ ・・・（１０）

【0029】

＜頂点温度調整の具体例＞
本実施の形態における頂点温度の具体例について説明する。以下に説明する具体例では、式（９）において、＋２５℃に頂点温度がある圧力センサを、頂点温度が＋５００℃の高温センサ用途に調整する場合を想定する。

【0030】

本具体例では、本発明の有効性を比較するために温度特性に２次曲線を有する振動子として、水晶を用いた音叉型振動子Ｘ１と他の振動子Ｘ２の２種を用いた場合を説明する。図３は、本発明の実施の形態に係る共振回路の具体例を示す図である。

【0031】

図３および、式（３）、式（４）に基づいた負荷時周波数特性、負荷時周波数感度特性をそれぞれ図４、図５に示す。本具体例では、図４、図５に示す負荷時周波数特性、負荷時周波数感度特性を有する共振回路の温度特性の頂点温度を調整する。

【0032】

図６は、本発明の実施の形態に係る温度特性における頂点温度の調整を説明するための図である。頂点温度は、上述した式（２）で表すことができるので、調整前後において２次温度係数ａが一定の場合には、１次温度係数を所望の値に変化させれば頂点温度を所望の値に調整することができる。

【0033】

図７は、本発明の実施の形態に係る負荷容量条件を説明するための図である。頂点温度を＋２５℃から＋５００℃にする場合、１次温度係数は、調整前の値１．５［ｐｐｍ／℃］の２０倍、つまり３０［ｐｐｍ／℃］にする必要がある。振動子２には１次温度係数として、既に１．５［ｐｐｍ／℃］が存在するため、負荷容量３の温度特性を用いて、１次温度係数として＋２８．５［ｐｐｍ／℃］を加算すればよい。

【0034】

式（４）によれば、負荷容量ＣＬ＝１０ｐＦにおける負荷時周波数感度（ｄＦＬ／ｄＣＬ）は、音叉型振動子Ｘ１、振動子Ｘ２において、それぞれ、－２３［ｐｐｍ／ｐＦ］、－２２７［ｐｐｍ／ｐＦ］である。

【0035】

式（８）と上記１次温度係数、負荷時周波数感度から、１次温度係数として＋２８．５［ｐｐｍ／℃］を加算して、頂点温度＋５００℃の温度特性を実現するには、負荷容量温度特性（ｄＣＬ／ｄＴ）［ｐＦ／℃］を、音叉型振動子Ｘ１、振動子Ｘ２において、それぞれ－１．２３９［ｐＦ／℃］、－０．１２５５［ｐＦ／℃］にすればよい。

【0036】

このように、頂点温度を所望の値に調整するための負荷容量温度特性は、振動子２の温度特性に加算する１次温度係数項と、負荷容量３の容量値の変化に対する共振周波数の変化の感度（負荷時周波数感度）に基づいて決定することができる。

【0037】

本実施の形態の共振回路において、周囲温度変動を±２５℃とすると、音叉型振動子Ｘ１、振動子Ｘ２において、それぞれ、約±３０ｐＦ、±３ｐＦの負荷容量の変化が必要となる。振動子Ｘ２では、音叉型振動子Ｘ１より等価直列容量Ｃ１の値が一桁大きいため、必要となる負荷容量変化量が少なくて済むという特徴がある。

【0038】

所望の負荷容量３の負荷容量温度特性を実現する方法としては、温度センサの出力に基づいて、バリキャップダイオードを用いてアナログ的に容量変化させる方法や、容量バンクを用いてデジタル的に容量変化させる方法等が考えられる。

【0039】

上述したように、振動子Ｘ２の方が音叉型振動子Ｘ２に比べて必要な容量変化が小さいため、回路の集積化や高分解能化に適し、バリキャップダイオードの選定自由度が高いというメリットがある。

【0040】

振動子Ｘ２に近い実在の振動子としては、ランガサイト型圧電単結晶を用いた振動子ＣＴＧＳ（Ｃａ_３ＴａＧａ_３Ｓｉ_２Ｏ_１４）がある。ランガサイト型圧電単結晶を用いた振動子ＣＴＧＳは、等価直列容量が１０ｆＦ～１００ｆＦの振動子である。振動子ＣＴＧＳを用いることで、回路の集積化や高分解能化に適し、バリキャップダイオードの選定自由度の高い共振回路を実現することができる。

【0041】

本実施の形態の共振回路は、発振回路や圧力センサ等の電子機器に組み込んで使うこともできる。図８は、本発明の実施の形態に係る共振回路を適用した圧力センサの構成例を示す図である。

【0042】

圧力センサ２０は、測定対象３０の圧力を検出するためのセンサであり、発振回路１０、周波数カウンタ１１、温度センサ１２、制御回路１３、振動子温度特性等のパラメータが保存されているメモリ１４を備える。発振回路１０は、本実施の形態の共振回路１と増幅回路４から構成されている。周波数カウンタ１１等を使って発振回路１０の出力を計測することで、測定対象３０の圧力変化を周波数変化として容易に観測することができる。

【0043】

制御回路１３は、温度センサ１２で測定した周囲温度Ｔの変化に応じて、共振回路１の負荷容量３の容量値を制御し、共振回路１の頂点温度が所望の値になるように負荷容量３の温度特性を制御するように構成されている。

【0044】

以上のように、本実施の形態によれば、振動子カット角を調整することなく２次温度特性の頂点温度を制御できる共振回路を実現することができる。

【0045】

上述した実施の形態では、高温圧力センサ等のように頂点温度を高温にする場合を例として説明したが、本実施の形態の温度特性の修正の考え方は、温度特性の頂点温度を低温にする場合にも適用できることは明らかである。

【産業上の利用可能性】

【0046】

本発明の共振回路は、発振回路や様々な電子機器に組み込んで使うことができる。

【符号の説明】

【0047】

１…共振回路、２…振動子、３…負荷容量。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】