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圧電振動回路 新技術説明会

国内特許コード P130009393
整理番号 P10-026p
掲載日 2013年6月18日
出願番号 特願2011-199017
公開番号 特開2012-085280
登録番号 特許第5861221号
出願日 平成23年9月13日(2011.9.13)
公開日 平成24年4月26日(2012.4.26)
登録日 平成28年1月8日(2016.1.8)
優先権データ
  • 特願2010-205580 (2010.9.14) JP
発明者
  • 佐藤富雄
  • 秋津哲也
出願人
  • 国立大学法人山梨大学
発明の名称 圧電振動回路 新技術説明会
発明の概要 【課題】
インバーターを用いて大きな負性抵抗を得、さらに広い発振周波数可変幅を得る圧電発振回路を提供する。及び、大きな負性抵抗を得ることができることを論理的に証明する。
【解決手段】
圧電振動回路として、インバーターの入出力間にコンデンサーと圧電振動子を並列接続した回路と、第1のコイル、第2のコイルを直列接続した回路を備え、第1のコイル、第2のコイルの接続点と回路の接地点間にパスコンデンサーを備え、接続点と接地点間を交流に対して短絡させ、さらに電源と接地間にはコンデンサーを挿入し、交流に対して短絡させ、前記インバーターの電源端子と接地端子間に電圧を印加し、発振回路として構成した。
【選択図】 図6
従来技術、競合技術の概要


近年、圧電振動子である水晶振動子を用いた微量天秤と呼ばれる水晶振動子微量天秤(Quartz Crystal Microbalance: QCM)が注目を集めている。このQCMは、水晶振動子の電極に物質が付着して生ずる表面の質量を、水晶振動子など周波数変換素子の共振周波数変化として検出するものである。QCMはナノグラム以下の質量検出が可能である所から、バイオセンサーや化学センサーなどとして医学や生化学、食品や環境測定などの広い分野において微量物質の検出に応用されている。例えば、水晶振動子を液相用質量測定装置として、水晶振動子を液体中に浸して使用する場合がある。このとき、空気中と液体中とでは、振動子の実効的な等価回路定数(クリスタルインピダンス、以下「CI値」と表記)が大幅に増加し、液体中におけるCI値が空気中よりも約10から30倍も大きくなるため、液体中では水晶振動子を発振させることが困難であった。



従来技術としてCMOSインバーターによるコルピッツ型発振回路を提示する。さらに、下記特許文献を提示する。特許文献1ならびに特許文献2では、インバーターの入出力間にバイアス設定用抵抗R2あるいは R4を挿入している。またインバーターの入出力を接地から直流電位の分離を得るため、C2、 C3、 Cp1、 Cp2のパスコンデンサを挿入している。これに対して本発明では抵抗を使用する必要が無い、さらにパスコンデンサに相当するコンデンサは一つである。微調整の必要のあるコンデンサと抵抗の本数を減少させたことにより回路が簡素化される。



図1にコルピッツ型と呼ばれる従来型の圧電発振回路の回路図を示す。また、図2に同等価発振回路-1を示す。キルヒホッフの法則を適用し式(数1)を得る。



【数1】





同じく式(数2)の特性回路方程式を得る。



【数2】





式(数3)のように各インピダンスの設定を行い、式(数2)に代入して、図3に同等価発振回路―3に示す等価回路抵抗RC及び、等価回路キャパシタンスCCを得る。結果を式(数4)に示す。



【数3】





【数4】





コルピッツ回路においてモーションアームからの回路側の合成等価回路抵抗RPCCi、合成等価キャパシタンスCPCCiを求め、式(数6)を得る。



【数5】





【数6】





キャパシターCの値をパラメータとして合成等価抵抗RPCCiと合成等価キャパシタンスを計算すると、Cを大きくすることで、CPCCiは大きくなるのであるが、RPCCiは小さくなる。即ち、発振可能領域が外部から加わる浮遊容量等によるキャパシタンスの増加によって制約される。10 MHzでRPCCiは-1 kΩ以下である。図4に定常発振時の発振回路の近似等価回路―3、図5に近似等価回路―4を示す。以下では、回路側に含めて合成された等価抵抗RCCi、等価キャパシタンスCCCi、等価インダクタンスLCCi、コルピッツ回路の回路側に含めて合成した等価抵抗RpCCi、等価キャパシタンスCpCCiの導出過程を示し、図10において本発明による発振回路のインピダンスと比較している。コルピッツ型発振回路は低周波領域において大きな負性抵抗を示す。0.6 MHzにおいて、負性抵抗の最大値RpCCimaxは近似的に-27kΩに等しい。周波数に対する依存性は3から15 pFまでの個々の等価キャパシタンスCPCCiに対して大きく依存しない。

産業上の利用分野


高速データ通信等の基地局装置、周波数測定器等の周波数の基準に使用される圧電発振器および圧電効果を利用してなるセンサー向け圧電発振器に適応する。本発明は、物理計測及び化学計測用の圧電振動用の発振回路に係り、さらに詳しくは、粘度センサー、流速センサー、圧力センサー、温度センサー、振動センサー、浮遊微粒子センサー、揮発性有機化学物質ガス等の気体に対する化学センサー、免疫センサー等として特に流体中に浸漬されて用いられる圧電振動子センサーを発振させるのに好適な圧電振動回路に関するものである。

特許請求の範囲 【請求項1】
インバーターの入出力間にコンデンサーと圧電振動子を並列接続した回路と、
第1のコイル、第2のコイルを直列接続した回路を備え、
前記第1のコイル、前記第2のコイルの接続点と回路の接地点間にパスコンデンサーを備え、前記接続点と前記接地点間を交流に対して短絡させ、さらに電源と接地間にはコンデンサーを挿入し、交流に対して短絡させ、前記インバーターの電源端子と接地端子間に電圧を印加し、発振回路として構成することを特徴とした圧電振動回路。

【請求項2】
前記インバーターの入出力間のコンデンサーは、同調キャパシターまたは電圧制御可変容量ダイオードであることを特徴とする請求項1に記載の圧電振動回路

【請求項3】
前記インバーターを構成する半導体は、FET、またはバイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項1に記載の圧電振動回路

【請求項4】
前記圧電振動子は、水晶の結晶体、またはセラミックの焼結体であることを特徴とする請求項1に記載の圧電振動回路
産業区分
  • 電子管
  • 基本電子回路
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2011199017thum.jpg
出願権利状態 登録
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