特開 2023-149693 振動子デバイス、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】P2023149693

(43)【公開日】2023-10-13

(54)【発明の名称】振動子デバイス、発振回路および電子機器

(51)【国際特許分類】

   H03B 5/32 20060101AFI20231005BHJP

【ＦＩ】

H03B5/32 J

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022058408

(22)【出願日】2022-03-31

(71)【出願人】

【識別番号】504151365

【氏名又は名称】大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構

(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】野原 正也

(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）】

5J079

【Ｆターム（参考）】

5J079AA03

5J079BA02

5J079BA41

5J079BA43

5J079CB07

5J079DA13

5J079DA16

5J079FA05

5J079FA13

5J079FA14

5J079FA21

5J079FB48

5J079GA09

5J079JA03

(57)【要約】

【課題】消費電力を増やすことなく高い周波数精度を実現する発振回路を提供する。
【解決手段】本発明の振動子デバイス１０は、発振回路３０の外付け端子に接続される振動子デバイスであり、所定の周波数温度特性を有する振動子Ｘ１と、振動子Ｘ１と発振回路３０とで生成される発振周波数を変化させる可変容量回路Ｃｖを有し、振動子Ｘ１の周囲温度に応じて、可変容量回路Ｃｖの容量を変化させることにより、振動子Ｘ１と発振回路３０とで生成される発振周波数の変動を補償する温度補償回路２０を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

発振回路の外付け端子に接続される振動子デバイスであって、
所定の周波数温度特性を有する振動子と、
前記振動子と前記発振回路とで生成する発振周波数を変化させる可変容量回路を有し、前記振動子の周囲温度に応じて、前記可変容量回路の容量を変化させることにより、前記発振周波数の変動を補償する温度補償回路を備える
振動子デバイス。

【請求項2】

前記発振回路は、前記振動子デバイスに並列接続されるインバータと、前記インバータの入力端子および出力端子のそれぞれに接続される固定容量素子を備え、
前記温度補償回路は、前記可変容量回路と前記固定容量素子からなる負荷容量の合成容量を変化させることにより、前記発振周波数の変動を補償する
請求項１に記載の振動子デバイス。

【請求項3】

前記可変容量回路は、印加される電圧に応じて容量が変化するバリキャップダイオードにより構成され、
前記温度補償回路は、前記振動子の周囲温度を検出する温度検出回路と、検出された前記周囲温度に応じて、前記バリキャップダイオードに印加する電圧を変化させる補償電圧発生回路を備える
請求項１に記載の振動子デバイス。

【請求項4】

前記可変容量回路は、複数の容量素子と前記容量素子のそれぞれに接続されたスイッチ素子を備えた容量バンクにより構成され、
前記温度補償回路は、前記振動子の周囲温度を検出する温度検出回路と、検出された前記周囲温度に応じて、前記スイッチ素子の開閉を制御する制御回路を備える
請求項１に記載の振動子デバイス。

【請求項5】

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
請求項１に記載の振動子デバイス。

【請求項6】

前記温度補償回路は、前記振動子の発振エネルギーから得られる発振電力により動作するように構成されている
請求項１から５の何れか１項に記載の振動子デバイス。

【請求項7】

請求項１に記載の振動子デバイスが接続されている発振回路。

【請求項8】

請求項７に記載の発振回路を備えた電子機器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、温度補償機能を備えた振動子に関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年、携帯電話や、あらゆるモノがインターネットに接続するＩｏＴ (Internet of Things)機器においてはバッテリーの長寿命化が求められており、そこに使われる電子回路や電子部品の低消費電力化が重要技術課題となっている。

【0003】

ＩｏＴの小型通信機器で用いられる基準発振回路は、従来から、図８に示すような振動子Ｘ１を用いたインバータベースのピアース（Pierce）回路が広く使われている。図８の発振回路３０は、システムオンチップの発振回路３０に内蔵された帰還抵抗Ｒ１、インバータ回路Ａ１、固定容量Ｃ１ａ、Ｃ１ｂ、増幅回路Ａ２から構成され、発振回路３０の外付け端子に振動子Ｘ１を接続するように構成されている。

【0004】

図８の回路構成では、発振回路３０の基準発振周波数の周波数温度特性において振動子Ｘ１単体の温度特性が支配的となるので、発振回路３０の用途によっては周波数精度が不十分な場合がある。振動子Ｘ１単体の温度特性よりも高い周波数精度が必要な場合は、ＴＣＸＯ（Temperature Compensated Crystal Oscillator）等の温度補償済の発振器を外部信号源として新たに実装することもできる（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１３－２１１６５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ここで、システムオンチップの発振回路３０の外付け端子に、ＴＣＸＯ等の発振器を外付けする構成も考えられるが、発振回路３０内のインバータ回路Ａ１の電流に加えＴＣＸＯの電流も流れるため消費電力が増加する。小型化・低消費電力化が重要課題であるＩｏＴ機器においては、消費電力が増加する部品を安易に追加採用することは望ましくない。発振回路においても、消費電力を増やすことなく高い周波数精度を実現することが要求されている。

【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、消費電力を増やすことなく高い周波数精度を実現する発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】

本発明の振動子デバイスは、発振回路の外付け端子に接続される振動子デバイスであって、所定の周波数温度特性を有する振動子と、前記振動子と前記発振回路とで生成する発振周波数を変化させる可変容量回路を有し、前記振動子の周囲温度に応じて、前記可変容量回路の容量を変化させることにより、前記発振周波数の変動を補償する温度補償回路を備える。

【0009】

また、本発明の振動子デバイスの一構成例は、前記発振回路は、前記振動子デバイスに並列接続されるインバータと、前記インバータの入力端子および出力端子のそれぞれに接続される固定容量素子を備え、前記温度補償回路は、前記可変容量回路と前記固定容量素子からなる負荷容量の合成容量を変化させることにより、前記発振周波数の変動を補償する。

【0010】

また、本発明の振動子デバイスの一構成例は、前記可変容量回路は、印加される電圧に応じて容量が変化するバリキャップダイオードにより構成され、前記温度補償回路は、前記振動子の周囲温度を検出する温度検出回路と、検出された前記周囲温度に応じて、前記バリキャップダイオードに印加する電圧を変化させる補償電圧発生回路を備える。

【0011】

また、本発明の振動子デバイスの一構成例には、前記可変容量回路は、複数の容量素子と前記容量素子のそれぞれに接続されたスイッチ素子を備えた容量バンクにより構成され、前記温度補償回路は、前記振動子の周囲温度を検出する温度検出回路と、検出された前記周囲温度に応じて、前記スイッチ素子の開閉を制御する制御回路を備える。

【0012】

また、本発明の振動子デバイスの一構成例は、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、本発明の振動子デバイスの一構成例は、前記温度補償回路は、前記振動子の発振エネルギーから得られる発振電力により動作するように構成されている。

【0014】

また、本発明の発振回路は、上記の振動子デバイスを備える。

【0015】

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】

【0016】

本発明によれば、消費電力を増やすことなく高い周波数精度を実現する発振回路を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】図１は、本発明の実施の形態に係る振動子デバイスの概要を示す図である。

【図2】図２は、本発明の実施の形態に係る振動子デバイスの構成例を示す図である。

【図3】図３は、本発明の実施の形態に係る振動子デバイスを用いた発振回路の構成例を示す図である。

【図4】図４は、振動子の等価回路と周波数偏差の温度依存性を示す図である。

【図5】図５は、振動子を用いた発振回路の等価回路と周波数偏差の負荷容量依存性を示す図である。

【図6】図６は、本発明の実施の形態に係る振動子デバイスの回路構成例である。

【図7】図７は、本発明の実施の形態に係る振動子デバイスの他の回路構成例である。

【図8】図８は、従来の発振回路を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

＜振動子デバイスの構成＞
図１は、本発明の実施の形態に係る振動子デバイスの概要を示す図である。本実施の形態の振動子デバイス１０は、所定の周波数温度特性を有する振動子Ｘ１と、振動子Ｘ１のインピーダンスを変化させる可変容量回路Ｃｖを有し、振動子Ｘ１の周囲温度に応じて可変容量回路Ｃｖの容量を変化させて、振動子Ｘ１のインピーダンス周波数特性の変動を補償する温度補償回路２０とから構成されている。

【0019】

図２は、本発明の実施の形態に係る振動子デバイスの構成例を示す図である。図２の振動子デバイス１０の構成例では、水晶片１３を備えた振動子Ｘ１と、振動子Ｘ１の温度補償をするための回路が集積化された温度補償回路２０が容器１１と密閉蓋１２から構成される空間に収容されている。振動子デバイス１０は、システムオンチップの発振回路３０の外付け端子に接続するための端子１４を備えている。

【0020】

本実施の形態では、振動子Ｘ１と振動子Ｘ１に接続された可変容量回路Ｃｖを有する温度補償回路２０を備えた振動子デバイス１０を、システムオンチップの発振回路３０の外付け端子に接続することで、温度補償機能を備えた発振回路を実現する。このような構成により、システムオンチップにＴＣＸＯ等の外部信号源を接続する場合と比較して、消費電力を増やすことなく、高い周波数精度を有する発振回路を実装することができる。

【0021】

＜振動子デバイスを用いた発振回路の構成＞
図３は、本発明の実施の形態に係る振動子デバイスを用いた発振回路の構成例を示す図である。図３の構成例において、発振回路３０は、帰還抵抗Ｒ１、インバータ回路Ａ１、インバータ回路Ａ１の入力端子および出力端子のそれぞれに接続される固定容量素子（Ｃ１ａ、Ｃ１ｂ）、増幅回路Ａ２とから構成されている。発振回路３０の外付け端子に、温度補償回路２０を備えた振動子デバイス１０が接続されることで、インバータ回路Ａ１と振動子デバイス１０が並列接続されるように構成されている。

【0022】

図３の構成例では、固定容量素子（Ｃ１ａ、Ｃ１ｂ）と温度補償回路２０内の可変容量回路Ｃｖが振動子Ｘ１の負荷容量として機能し、振動子Ｘ１は、固定容量素子（Ｃ１ａ、Ｃ１ｂ）と温度補償回路２０内の可変容量回路Ｃｖからなる負荷容量の合成容量の値に応じた周波数で発振する。振動子Ｘ１の周囲温度に応じて、温度補償回路２０内の可変容量回路Ｃｖの容量の値を変化させることにより、固定容量素子（Ｃ１ａ、Ｃ１ｂ）と温度補償回路２０内の可変容量回路Ｃｖからなる負荷容量の合成容量の値を変化させて振動子Ｘ１と発振回路３０とで生成する発振周波数の変動を補償し、発振周波数が所定の値となるように制御することができる。

【0023】

＜振動子の周波数偏差の温度依存性＞
図４は、振動子の等価回路と周波数偏差の温度依存性を示す図である。振動子Ｘ１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から構成されている。

【0024】

図４の周波数偏差の温度依存性において、ｆ０は頂点温度における振動子Ｘ１の基準周波数、△ｆは温度変化が生じた場合の発振周波数における基準周波数ｆ０との偏差である。振動子Ｘ１の基準周波数に対する周波数偏差の割合（△ｆ／ｆ０）は、例えば、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。周囲温度が変化した場合でも、振動子Ｘ１に接続した負荷容量を変化させることで、振動子Ｘ１の周波数が頂点温度における基準周波数となるように制御することができる。

【0025】

＜発振回路の周波数偏差の負荷容量依存性＞
図５は、振動子を用いた発振回路の等価回路と周波数偏差の負荷容量依存性を示す図である。発振回路の発振周波数の基準周波数に対する周波数偏差の割合（△ｆ／ｆ０）は、負荷容量ＣＬに応じて変化する特性を有している。負荷容量ＣＬの値を温度に応じて変更することにより、周波数偏差をできるだけ小さくなるように制御することが可能となる。

【0026】

図３の発振回路３０の構成例では、固定容量素子（Ｃ１ａ、Ｃ１ｂ）と温度補償回路２０内の可変容量回路Ｃｖが振動子Ｘ１の負荷容量ＣＬとして機能し、振動子Ｘ１は、この負荷容量ＣＬの合成容量の値に応じた周波数で発振する。本実施の形態では、振動子Ｘ１の周囲温度に応じて、温度補償回路２０内の可変容量回路Ｃｖの容量の値を変化させることにより、負荷容量ＣＬの合成容量の値を変化させて、温度による振動子Ｘ１と発振回路３０とで生成する発振周波数の変動を補償することができる。負荷容量ＣＬの合成容量の値を、図４の頂点温度における負荷容量の値となるように、可変容量回路Ｃｖの値を制御することで、発振回路３０を振動子Ｘ１の頂点温度における基準周波数に近い周波数で発振させることができる。

【0027】

＜振動子デバイスの回路構成例＞
図６は、本発明の実施の形態に係る振動子デバイスの回路構成例である。図６の構成例における温度補償回路２０は、基準電圧発生回路２１、振動子Ｘ１の周囲温度を検出する温度検出回路である温度センサ２２、Ａ／Ｄ変換回路２３、メモリ回路２４、補償電圧発生回路２５、可変容量回路ＣｖであるバリキャップダイオードＶＤ１とから構成されている。メモリ回路２４には、温度に依存した補償情報が予め記憶されている。この補償情報は、振動子Ｘ１のパラメータや固定容量素子（Ｃ１ａ、Ｃ１ｂ）とバリキャップダイオードＶＤ１に応じて予め登録しておけばよい。図６の回路構成における温度補償方式はアナログ式である。

【0028】

図６の構成例では、温度に依存しない一定電圧を出力する基準電圧発生回路２１の電圧に基づいて、温度センサ２２と補償電圧発生回路２５が動作するように構成されている。温度センサ２２の出力電圧はＡ／Ｄ変換され、補償情報が保存されたメモリ回路２４に伝達される。メモリ回路２４からは温度に依存した補償情報が出力され、補償電圧発生回路２５においてアナログ情報に変換されて補償電圧が生成される。補償電圧はバリキャップダイオードＶＤ１に印加され、周囲温度の変動に応じた高い精度の温度特性を有する負荷容量を実現する。

【0029】

温度補償回路２０を構成する各回路は、発振回路３０を含まずに集積化できるので、小型化・低消費電力化を実現できる。また、温度補償回路２０は、振動子Ｘ１の発振エネルギーから得られる発振電力により動作させることができる。例えば、振動子Ｘ１の発振信号の発振電圧を整流して、温度補償回路２０を動作させるための電力を得てもよい。

【0030】

図７は、本発明の実施の形態に係る振動子デバイスの他の回路構成例である。図７６の構成における温度補償回路２０は、基準電圧発生回路２１、振動子Ｘ１の周囲温度を検出する温度センサ２２、Ａ／Ｄ変換回路２３、メモリ回路２４、ＳＷ制御回路２６、可変容量回路である容量バンク（Ｃｔ１～Ｃｔｎ）とから構成される。容量バンク（Ｃｔ１～Ｃｔｎ）は、複数の容量素子と容量素子のそれぞれに接続されたスイッチ素子を備える。メモリ回路２４には、温度に依存した補償情報が予め記憶されている。この補償情報は、振動子Ｘ１のパラメータや固定容量素子（Ｃ１ａ、Ｃ１ｂ）と容量バンク（Ｃｔ１～Ｃｔｎ）の仕様に応じて予め登録しておけばよい。図７の回路構成における温度補償方式はデジタル式である。

【0031】

図７の構成では、温度に依存しない一定電圧を出力する基準電圧発生回路２１の電圧に基づいて、温度センサ２２とＳＷ制御回路２６が動作するように構成されている。温度センサ２２の出力電圧はＡ／Ｄ変換され、補償情報が保存されたメモリ回路２４に伝達される。メモリ回路２４から温度に依存した補償情報が出力され、補償情報に基づいてＳＷ制御回路２６においてスイッチ制御信号が生成される。スイッチ制御信号により、容量バンク（Ｃｔ１～Ｃｔｎ）の容量素子のそれぞれに接続されたスイッチ素子の開閉が制御され、周囲温度の変動に応じた高い精度の温度特性を有する負荷容量を実現することができる。

【0032】

図６と同様にして、温度補償回路２０を構成する各回路は、発振回路３０を含まずに集積化できるので、小型化・低消費電力化を実現できる。また、図６と同様にして、温度補償回路２０を動作させるための電力は振動子Ｘ１の発振エネルギーから取得することができる。例えば、振動子Ｘ１の発振信号の発振電圧を整流して、温度補償回路２０を動作させるための電力を得てもよい。

【0033】

図６、７の温度補償回路２０における回路ブロックは実現したい発振性能などに依存して適宜変更することができる。また、回路ブロックの一部を発振トランジスタ等の能動素子が内蔵されている発振回路３０で構成してもよい。例えば、基準電圧発生回路２１、温度センサ２２、Ａ／Ｄ変換回路２３、メモリ回路２４の全部または一部を発振回路３０内に実装し、発振回路３０からの情報に基づいて、バリキャップダイオードＶＤ１や容量バンク（Ｃｔ１～Ｃｔｎ）の容量を変更するように構成してもよい。

【0034】

本実施の形態における振動子としては、水晶振動子やランガサイト型圧電単結晶振動子を用いることができる。ランガサイト型圧電単結晶は、水晶振動子よりも等価直列抵抗が低いため発振回路電流を抑えられるとともに、発振起動が高速であるため起動時消費エネルギーも低減できるという利点がある。

【0035】

以上のように、本実施の形態によれば、消費電力を増やさずに高い周波数精度を実現する発振回路を提供することができる。本実施の形態の振動子デバイスを接続した発振回路を、例えば、携帯電話機やＩｏＴ機器などの電子機器に適用することで、電子機器の低消費電力化に貢献することができる。

【産業上の利用可能性】

【0036】

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】

【0037】

１０…振動子デバイス、２０…温度補償回路、Ｘ１…振動子、Ｃｖ…可変容量回路。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】